Tipos de condensadores

Manufacturing styles of an electronic device

Algunos condensadores diferentes para equipos electrónicos.

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

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

Si bien, en cifras absolutas, los capacitores que se fabrican con mayor frecuencia están integrados en memorias de acceso aleatorio dinámico , memorias flash y otros chips de dispositivos, este artículo cubre los componentes discretos.

Características generales

Construcción convencional

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

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

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

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

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

Construcción electroquímica

Esquema de condensador de doble capa.

1. Capa interna de Helmholtz del IHP
2. Capa exterior de Helmholtz OHP
3. Capa difusa
4. Iones solvatados
5. Iones específicamente adsorbentes (Pseudocapacitancia)
6. Molécula de disolvente

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

• almacenamiento electrostático dentro de capas dobles de Helmholtz logrado en la interfaz de fase entre la superficie de los electrodos y el electrolito (capacitancia de doble capa) ; y
• Almacenamiento electroquímico que se logra mediante una transferencia de carga electrónica faradaica por iones específicamente absorbidos con reacciones redox (pseudocapacidad) . A diferencia de las baterías, en estas reacciones, los iones simplemente se adhieren a la estructura atómica de un electrodo sin formar ni romper enlaces químicos, y no intervienen modificaciones químicas o éstas son insignificantes en la carga/descarga.

La relación de almacenamiento resultante de cada principio puede variar considerablemente, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacidad puede aumentar el valor de la capacidad hasta en un orden de magnitud por encima del de la doble capa por sí sola. ^[1]

Clasificación

Los condensadores se dividen en dos grupos mecánicos: dispositivos de capacidad fija con una capacidad constante y condensadores variables. Los condensadores variables se fabrican como condensadores de ajuste , que normalmente se ajustan solo durante la calibración del circuito, y como un dispositivo ajustable durante el funcionamiento del instrumento electrónico.

El grupo más común es el de los condensadores fijos. Muchos reciben su nombre en función del tipo de dieléctrico. Para una clasificación sistemática no se pueden utilizar estas características, ya que uno de los más antiguos, el condensador electrolítico, recibe su nombre por la construcción de su cátodo. Por lo tanto, los nombres más utilizados son simplemente históricos.

Los tipos más comunes de condensadores son:

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

Descripción general de los condensadores fijos más utilizados en equipos electrónicos

Además de los tipos de condensadores que se muestran arriba, que derivan su nombre de su desarrollo histórico, hay muchos condensadores individuales que han recibido su nombre en función de su aplicación. Entre ellos se incluyen:

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

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

En la sección Condensadores especiales se analizan otros tipos de condensadores.

Dieléctricos

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

Los dieléctricos más comunes son:

• Cerámica
• Películas de plástico
• Capa de óxido sobre metal ( aluminio , tantalio , niobio )
• Materiales naturales como mica , vidrio , papel , aire , SF6 , vacío .

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

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

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

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

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

Una breve mirada a las cifras de la tabla anterior da la explicación de algunos hechos simples:

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

Rango de capacitancia y voltaje

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

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

Miniaturización

La eficiencia volumétrica de los condensadores aumentó entre 1970 y 2005 (haga clic en la imagen para ampliarla)

Al igual que en otras áreas de la electrónica, la eficiencia volumétrica mide el rendimiento de la función electrónica por unidad de volumen. En el caso de los condensadores, la eficiencia volumétrica se mide con el "producto CV", que se calcula multiplicando la capacitancia (C) por la tensión nominal máxima (V), dividida por el volumen. Desde 1970 hasta 2005, las eficiencias volumétricas han mejorado drásticamente.

• Miniaturización de condensadores
• 
  Condensador de papel apilado de 1923 para desacoplamiento (bloqueo) de ruido en líneas telegráficas
• 
  Condensador de papel metalizado bobinado de principios de la década de 1930 en caja de papel duro, valor de capacitancia especificado en "cm" en el sistema cgs ; 5000 cm corresponden a 0,0056 μF.
• 
  Condensador electrolítico de aluminio plegado y húmedo, Bell System 1929, vista del ánodo plegado, que estaba montado en una carcasa cuadrada (no mostrada) llena de electrolito líquido
• 
  Dos condensadores electrolíticos de aluminio húmedos, bobinados de 8 μF y 525 V, en una carcasa de papel sellada con alquitrán, de una radio de la década de 1930.

Superposición de la gama de aplicaciones

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

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

Tipos y estilos

Condensadores cerámicos

Construcción de un condensador cerámico multicapa ( MLCC )

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

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

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

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

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

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

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

Condensadores de película

Tres ejemplos de diferentes configuraciones de condensadores de película para aumentar los valores nominales de corriente de sobretensión

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

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

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

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

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

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

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

Condensadores de película de potencia

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

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

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

Los condensadores de potencia de película utilizan principalmente película de polipropileno como dieléctrico. Otros tipos incluyen condensadores de papel metalizado (condensadores MP) y condensadores de película dieléctrica mixta con dieléctricos de polipropileno. Los condensadores MP sirven para aplicaciones de bajo coste y como electrodos portadores sin campo (condensadores de lámina empapada) para cargas de pulsos de alta corriente o CA. Los devanados se pueden rellenar con un aceite aislante o con resina epoxi para reducir las burbujas de aire, evitando así los cortocircuitos.

Se utilizan como convertidores para cambiar el voltaje, la corriente o la frecuencia, para almacenar o entregar energía eléctrica de forma repentina o para mejorar el factor de potencia. El rango de voltaje nominal de estos condensadores va desde aproximadamente 120 V CA (balastos de iluminación capacitivos) hasta 100 kV. ^[19]

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

Condensadores electrolíticos

Diversificación de condensadores electrolíticos

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

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

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

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

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

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

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

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

Los condensadores electrolíticos para aplicaciones especiales incluyen condensadores de arranque de motores, ^[22] condensadores de linternas ^[23] y condensadores de frecuencia de audio. ^[24]

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

• Condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio
• 
  Condensadores electrolíticos de aluminio de tipo axial, radial (de un solo extremo) y de chip en V
• 
  Condensadores electrolíticos de aluminio de tipo encajable para aplicaciones de potencia
• 
  Estilo SMD para montaje superficial de condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito de polímero
• 
  Condensadores electrolíticos de tantalio en chip para montaje en superficie

Supercondensadores

Clasificación jerárquica de supercondensadores y tipos relacionados

Diagrama de Ragone que muestra la densidad de potencia frente a la densidad de energía de varios capacitores y baterías

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

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

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

La relación de almacenamiento resultante de cada principio puede variar en gran medida, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacidad puede aumentar el valor de la capacidad hasta en un orden de magnitud por encima del de la doble capa por sí sola. ^[25]

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

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

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

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

Los supercondensadores están polarizados y deben funcionar con la polaridad correcta. La polaridad se controla mediante el diseño con electrodos asimétricos o, en el caso de electrodos simétricos, mediante un potencial aplicado durante el proceso de fabricación.

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

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

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

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

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

• Doble capa, iones de litio y supercondensadores
• 
  Condensador de doble capa de 1 F a 5,5 V para retención de datos cuando está apagado.
• 
  Condensadores de iones de litio de estilo radial (de un solo extremo) para alta densidad de energía
• 
  Supercondensadores

Condensadores de clase X y clase Y

Muchas normas de seguridad exigen el uso de condensadores de clase X o clase Y siempre que un "cortocircuito" pueda poner en peligro a las personas, para garantizar el aislamiento galvánico incluso cuando el condensador falla.

Dos condensadores de clase Y en una placa de circuito

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

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

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

Condensadores varios

Además de los condensadores descritos anteriormente, que cubren prácticamente la totalidad del mercado de condensadores discretos, se pueden encontrar en electrónica algunos nuevos desarrollos o tipos de condensadores muy especiales, así como tipos más antiguos.

Condensadores integrados

• Capacitores integrados: en los circuitos integrados , los capacitores a escala nanométrica se pueden formar mediante patrones apropiados de metalización sobre un sustrato aislante. Se pueden empaquetar en múltiples matrices de capacitores sin otras partes semiconductoras como componentes discretos. ^[36]
• Condensadores de vidrio: el primer condensador de frasco de Leyden estaba hecho de vidrio. A partir de 2012, ^[update]los condensadores de vidrio se empezaron a utilizar como versión SMD para aplicaciones que requerían un servicio ultra confiable y ultra estable.

Condensadores de potencia

• Condensadores de vacío : utilizados en transmisores de RF de alta potencia
• Condensadores llenos de gas SF6 : se utilizan como estándar de capacitancia para medir circuitos de _puente

Condensadores especiales

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

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

Los condensadores fabricados mediante la torsión de dos trozos de cable aislado se denominan condensadores de efecto especial. Los condensadores de efecto especial se utilizaban en receptores de radio comerciales y de aficionados. ^{[37] [38] [39] [40] [41]}

Condensadores obsoletos

• Frascos de Leyden: el condensador más antiguo conocido
• Condensadores de mica fijados : los primeros condensadores con comportamiento de frecuencia estable y bajas pérdidas, utilizados para aplicaciones de radio militar durante la Segunda Guerra Mundial
• Condensadores de entrehierro: utilizados por los primeros transmisores de chispa

• Condensadores varios
• 
  Algunos condensadores de mica y plata con capacidad nominal de 1 nF × 500 VCC
• 
  Condensador de vacío con encapsulamiento de vidrio de uranio

Condensadores variables

Los capacitores variables pueden modificar su capacitancia mediante el movimiento mecánico. Existen dos tipos principales:

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

Los condensadores variables incluyen condensadores que utilizan una construcción mecánica para cambiar la distancia entre las placas o la cantidad de superficie de las placas que se superponen. En su mayoría, utilizan aire como medio dieléctrico.

Los diodos semiconductores de capacitancia variable no son capacitores en el sentido de componentes pasivos, sino que pueden cambiar su capacitancia en función de la tensión de polarización inversa aplicada y se utilizan como un capacitor variable. Han reemplazado a gran parte de los capacitores de ajuste y de ajuste.

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

Comparación de tipos

Caracteristicas electricas

Circuito equivalente en serie

Modelo de circuito equivalente en serie de un condensador

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

Todas las propiedades 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 capacitor. En este circuito equivalente en serie, las características eléctricas se definen mediante:

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

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

Valores de capacitancia estándar y tolerancias

La capacidad nominal C R _o C N _es el valor para el que se ha diseñado el condensador. La capacidad real depende de la frecuencia medida y de la temperatura ambiente. Las condiciones de medición estándar son un método de medición de CA de bajo voltaje a una temperatura de 20 °C con frecuencias de

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

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

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

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

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

Dependencia de la temperatura

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

Dependencia de la frecuencia

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

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

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

Dependencia del voltaje

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

Los condensadores de película y los condensadores electrolíticos no tienen una dependencia significativa del voltaje.

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

Tensión nominal y de categoría

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

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

En la norma IEC/EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida se denomina "tensión nominal". La tensión nominal (UR) es la tensión de CC máxima o la tensión de impulso pico que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal.

La resistencia a la tensión de casi todos los condensadores disminuye con el aumento de la temperatura. Algunas aplicaciones requieren un rango de temperatura más alto. Reducir la tensión aplicada a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica una segunda "tensión de temperatura reducida" para un rango de temperatura más alto, la "tensión de categoría". La tensión de categoría (UC) es la tensión de CC máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de la categoría.

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

Impedancia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Para calcular la impedancia hay que sumar la resistencia geométricamente y luego viene dada por ${\displaystyle \scriptstyle Z}$ ${\displaystyle Z}$

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

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

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

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

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

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

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

La impedancia indicada en las hojas de datos suele mostrar curvas típicas para los diferentes valores de capacidad. A medida que aumenta la frecuencia, la impedancia disminuye hasta un mínimo. Cuanto menor sea la impedancia, más fácilmente pueden pasar corrientes alternas a través del condensador. En el vértice , el punto de resonancia, donde XC tiene el mismo valor que XL, el condensador tiene el valor de impedancia más bajo. Aquí solo la ESR determina la impedancia. Con frecuencias superiores a la resonancia, la impedancia aumenta de nuevo debido a la ESL del condensador. El condensador se convierte en una inductancia.

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

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

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

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

Inductancia (ESL) y frecuencia autorresonante

La ESL en los capacitores industriales se debe principalmente a los cables y conexiones internas que se utilizan para conectar las placas del capacitor al mundo exterior. Los capacitores grandes tienden a tener una ESL más alta que los pequeños porque las distancias a la placa son mayores y cada mm cuenta como una inductancia.

Para cualquier capacitor discreto, existe una frecuencia por encima de la CC en la que deja de comportarse como un capacitor puro. Esta frecuencia, donde es tan alta como , se denomina frecuencia autorresonante. La frecuencia autorresonante es la frecuencia más baja en la que la impedancia pasa por un mínimo. Para cualquier aplicación de CA, la frecuencia autorresonante es la frecuencia más alta en la que los capacitores se pueden usar como un componente capacitivo. ${\displaystyle X_{C}}$ ${\displaystyle X_{L}}$

Esto es de vital importancia para desacoplar los circuitos lógicos de alta velocidad de la fuente de alimentación. El condensador de desacoplamiento suministra corriente transitoria al chip. Sin desacopladores, el CI requiere corriente más rápida de la que la conexión a la fuente de alimentación puede suministrarle, ya que partes del circuito se encienden y apagan rápidamente. Para contrarrestar este problema potencial, los circuitos utilizan con frecuencia varios condensadores de derivación: condensadores pequeños (de 100 nF o menos) diseñados para frecuencias altas, un condensador electrolítico grande diseñado para frecuencias más bajas y, ocasionalmente, un condensador de valor intermedio.

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

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

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

La mayor parte de estas pérdidas en los condensadores de mayor tamaño son, por lo general, las pérdidas dieléctricas óhmicas dependientes de la frecuencia. En el caso de componentes más pequeños, especialmente en el caso de los condensadores electrolíticos húmedos, la conductividad de los electrolitos líquidos puede superar las pérdidas dieléctricas. Para medir estas pérdidas, se debe establecer la frecuencia de medición. Dado que los componentes disponibles en el mercado ofrecen valores de capacitancia que cubren 15 órdenes de magnitud, que van desde pF (10 ⁻¹²  F) hasta unos 1000 F en los supercondensadores, no es posible capturar todo el rango con una sola frecuencia. La norma IEC 60384-1 establece que las pérdidas óhmicas se deben medir a la misma frecuencia que se utiliza para medir la capacitancia. Estas son:

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

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

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

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

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

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

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

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

Un valor Q alto es para los circuitos resonantes una marca de la calidad de la resonancia.

Limitación de cargas de corriente

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

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

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

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

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

Las corrientes alternas pueden ser:

• corriente de ondulación: una corriente alterna efectiva (RMS) que proviene de un voltaje de CA superpuesto a una polarización de CC, una
• corriente de pulso: una corriente pico de CA, que proviene de un pico de voltaje o una
• Corriente alterna: una corriente sinusoidal efectiva (RMS)

Las corrientes de ondulación y de CA calientan principalmente el cuerpo del condensador. La temperatura interna generada por estas corrientes influye en la tensión de ruptura del dieléctrico. Una temperatura más alta reduce la resistencia a la tensión de todos los condensadores. En los condensadores electrolíticos húmedos, las temperaturas más altas fuerzan la evaporación de los electrolitos, lo que acorta la vida útil de los condensadores. En los condensadores de película, las temperaturas más altas pueden encoger la película de plástico, lo que modifica las propiedades del condensador.

Las corrientes pulsadas, especialmente en los condensadores de película metalizada, calientan las áreas de contacto entre el recubrimiento final (schoopage) y los electrodos metalizados. Esto puede reducir el contacto con los electrodos, lo que aumenta el factor de disipación.

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

Corriente de ondulación

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

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

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

Los tipos de condensadores que se utilizan para aplicaciones de potencia tienen un valor nominal específico para la corriente de ondulación máxima. Se trata principalmente de condensadores electrolíticos de aluminio y de tantalio, así como algunos condensadores de película y condensadores cerámicos de clase 2.

Los condensadores electrolíticos de aluminio, el tipo más común para las fuentes de alimentación, tienen una vida útil más corta con corrientes de ondulación más altas. Si se excede el límite, se tiende a producir una falla explosiva.

Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso sólido también están limitados por la corriente de ondulación. Si se exceden sus límites de ondulación, se tiende a producir cortocircuitos y quemar componentes.

En el caso de los condensadores cerámicos y de película, que normalmente se especifican con un factor de pérdida tan δ, el límite de corriente de ondulación se determina mediante un aumento de temperatura en el cuerpo de aproximadamente 10 °C. Si se supera este límite, se puede destruir la estructura interna y provocar cortocircuitos.

Corriente de pulso

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

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

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

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

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

En el caso de los condensadores de película metalizada, la carga de pulso depende de las propiedades del material dieléctrico, el espesor de la metalización y la construcción del condensador, especialmente la construcción de las áreas de contacto entre el aerosol final y los electrodos metalizados. Las corrientes de pico altas pueden provocar un sobrecalentamiento selectivo de los contactos locales entre el aerosol final y los electrodos metalizados, lo que puede destruir algunos de los contactos, lo que conduce a un aumento de la ESR.

En el caso de los condensadores de película metalizada, las denominadas pruebas de pulso simulan la carga de pulso que podría producirse durante una aplicación, según una especificación estándar. La norma IEC 60384, parte 1, especifica que el circuito de prueba se carga y descarga de forma intermitente. La tensión de prueba corresponde a la tensión nominal de CC y la prueba comprende 10 000 pulsos con una frecuencia de repetición de 1 Hz. La capacidad de tensión de pulso es el tiempo de subida del pulso. El tiempo de subida del pulso nominal se especifica como 1/10 del tiempo de subida del pulso de prueba.

La carga de pulsos debe calcularse para cada aplicación. No existe una regla general para calcular la capacidad de potencia de los capacitores de película debido a detalles de construcción internos relacionados con el proveedor. Para evitar que el capacitor se sobrecaliente, deben tenerse en cuenta los siguientes parámetros operativos:

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

Se permiten tiempos de subida de pulso más altos para voltajes de pulso inferiores a los voltajes nominales.

^{Muchos fabricantes, por ejemplo, WIMA [52]} y Kemet ^[53] ofrecen ejemplos para el cálculo de cargas de pulso individuales .

Corriente alterna

Condiciones limitantes para capacitores que operan con cargas de CA

Una carga de CA solo se puede aplicar a un capacitor no polarizado. Los capacitores para aplicaciones de CA son principalmente capacitores de película, capacitores de papel metalizado, capacitores cerámicos y capacitores electrolíticos bipolares.

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

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

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

La tensión de CA nominal de los condensadores de película se calcula generalmente de modo que un aumento de la temperatura interna de 8 a 10 K sea el límite permitido para un funcionamiento seguro. Debido a que las pérdidas dieléctricas aumentan con el aumento de la frecuencia, la tensión de CA especificada debe reducirse a frecuencias más altas. Las hojas de datos de los condensadores de película especifican curvas especiales para reducir la tensión de CA a frecuencias más altas.

Si los condensadores de película o los condensadores cerámicos solo tienen una especificación de CC, el valor pico del voltaje de CA aplicado debe ser menor que el voltaje de CC especificado.

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

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

Resistencia de aislamiento y autodescarga constante

La resistencia del dieléctrico es finita, lo que genera un cierto nivel de "corriente de fuga" de CC que hace que un condensador cargado pierda carga con el tiempo. En el caso de los condensadores cerámicos y de película, esta resistencia se denomina "resistencia de aislamiento R _ins ". Esta resistencia está representada por la resistencia R _ins en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de condensadores. La resistencia de aislamiento no debe confundirse con el aislamiento externo del componente con respecto al entorno.

La curva temporal de autodescarga sobre la resistencia de aislamiento con una tensión decreciente del condensador sigue la fórmula

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

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

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

Por lo tanto, después  la tensión  cae al 37% del valor inicial. ${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }\,}$ ${\displaystyle U_{0}}$

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

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

La resistencia de aislamiento o la constante de autodescarga pueden reducirse si la humedad penetra en el devanado. Depende en gran medida de la temperatura y disminuye con el aumento de la misma. Ambas disminuyen con el aumento de la temperatura.

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

Corriente de fuga

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

  No sólido, alto contenido de agua.

  no sólido, orgánico

  sólido, polímero

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

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

La corriente de fuga disminuye en los primeros minutos después de aplicar la tensión continua. En este período, la capa de óxido dieléctrico puede reparar por sí sola las debilidades mediante la creación de nuevas capas. El tiempo necesario depende, en general, del electrolito. Los electrolitos sólidos disminuyen más rápido que los no sólidos, pero se mantienen a un nivel ligeramente superior.

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

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

La corriente de fuga normalmente se mide 2 o 5 minutos después de aplicar el voltaje nominal.

Microfonía

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

En el efecto microfónico inverso, al variar el campo eléctrico entre las placas del capacitor se ejerce una fuerza física que las convierte en un altavoz. Las cargas de impulso de corriente elevadas o las corrientes de ondulación elevadas pueden generar un sonido audible desde el propio capacitor, lo que drena energía y tensiona el dieléctrico. ^[56]

Absorción dieléctrica (remojo)

La absorción dieléctrica se produce cuando un condensador que ha permanecido cargado durante mucho tiempo se descarga solo de forma incompleta cuando se descarga brevemente. Aunque un condensador ideal alcanzaría cero voltios después de la descarga, los condensadores reales desarrollan un pequeño voltaje a partir de la descarga dipolar retardada en el tiempo, un fenómeno que también se denomina relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería".

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

Densidad de energía

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

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

La separación de los electrodos y la resistencia a la tensión del material dieléctrico definen la tensión de ruptura del condensador. La tensión de ruptura es proporcional al espesor del dieléctrico.

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

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

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

Por lo tanto, un condensador que tiene un dieléctrico con la mitad de espesor que otro tiene una capacitancia 4 veces mayor pero es 1/2 a prueba de voltaje, lo que produce una densidad de energía máxima igual.

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

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

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

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

Comportamiento a largo plazo, envejecimiento.

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

Envejecimiento

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

En los capacitores cerámicos ferroeléctricos de clase 2, la capacitancia disminuye con el tiempo. Este comportamiento se denomina "envejecimiento". Este envejecimiento ocurre en dieléctricos ferroeléctricos, donde los dominios de polarización en el dieléctrico contribuyen a la polarización total. La degradación de los dominios polarizados en el dieléctrico disminuye la permitividad y, por lo tanto, la capacitancia con el tiempo. ^{[65] [66]} El envejecimiento sigue una ley logarítmica. Esta define la disminución de la capacitancia como un porcentaje constante durante una década de tiempo 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, la pérdida porcentual de capacitancia será el doble entre 1 h y 100 h y el triple entre 1 h y 1000 h, y así sucesivamente. El envejecimiento es más rápido cerca del comienzo y el valor absoluto de la capacitancia se estabiliza con el tiempo.

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

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

Los condensadores cerámicos y de película de clase 1 no sufren envejecimiento ferroeléctrico. Las influencias ambientales, como una temperatura más alta, una humedad elevada y el estrés mecánico, pueden provocar, a lo largo de un período prolongado, un pequeño cambio irreversible en el valor de la capacidad, a veces denominado envejecimiento.

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

Tiempo de vida

Los valores eléctricos de los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido cambian con el tiempo debido a la evaporación del electrolito. Si se alcanzan los límites especificados de los parámetros, los condensadores se considerarán "fallos por desgaste".

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

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

Porcentaje de averías

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

Los condensadores son componentes fiables con bajas tasas de fallos y alcanzan una vida útil de décadas en condiciones normales. La mayoría de los condensadores pasan una prueba al final de la producción similar a un " burn in ", de modo que los fallos tempranos se detectan durante la producción, lo que reduce la cantidad de fallos posteriores al envío.

La confiabilidad de los capacitores se especifica generalmente en números de Fallas en el Tiempo (FIT) durante el período de fallas aleatorias constantes. FIT es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 ⁹ ) de horas-componente de operación en condiciones de trabajo fijas (por ejemplo, 1000 dispositivos durante 1 millón de horas, o 1 millón de dispositivos durante 1000 horas cada uno, a 40 °C y 0,5 U _R ). Para otras condiciones de voltaje aplicado, carga de corriente, temperatura, influencias mecánicas y humedad, el FIT se puede recalcular con términos estandarizados para contextos industriales ^[69] o militares ^{[70] .}

Información adicional

Soldadura

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

Comportamiento electrolítico por almacenamiento o desuso

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

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

Normas IEC/EN

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

Especificación genérica

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

Condensadores cerámicos

• IEC/EN 60384-8— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 1
• IEC/EN 60384-9— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 2
• IEC/EN 60384-21— Condensadores multicapa de montaje superficial fijo de dieléctrico cerámico, Clase 1
• IEC/EN 60384-22— Condensadores multicapa de montaje superficial fijo de dieléctrico cerámico, Clase 2

Condensadores de película

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

Condensadores electrolíticos

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

Supercondensadores

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

Símbolos de condensadores

Símbolos de condensadores

Marcas

Impreso

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

• nombre o marca comercial del fabricante;
• designación de tipo del fabricante;
• Polaridad de las terminaciones (para condensadores polarizados)
• capacitancia nominal;
• Tolerancia en la capacitancia nominal
• Tensión nominal y naturaleza de la fuente de alimentación (CA o CC)
• categoría climática o temperatura nominal;
• año y mes (o semana) de fabricación;
• Marcas de certificación de normas de seguridad (para condensadores de supresión de seguridad EMI/RFI)

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

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

Ejemplos:

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

La capacidad, 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 capacidad nominal (microfaradios): μ47 = 0,47 μF, 4μ7 = 4,7 μF, 47μ = 47 μF

La fecha de fabricación suele imprimirse de acuerdo con las normas internacionales.

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

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

Codificación de colores

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

Marcado de polaridad

• Marcado de polaridad
• 
• 

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

Detalles de marcado de polaridad

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

Segmentos de mercado

En la actualidad, los condensadores discretos son productos industriales que se producen en grandes cantidades para su uso en equipos electrónicos y eléctricos. A nivel mundial, el mercado de condensadores fijos se estimó en 18 mil millones de dólares en 2008 para 1.400 billones (1,4 × 10 ¹² ) de piezas. ^[75] Este mercado está dominado por los condensadores cerámicos, con un estimado de aproximadamente un billón (1 × 10 ¹² ) de piezas por año. ^[76]

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

• Condensadores cerámicos : 8.300 millones de dólares (46%);
• Condensadores electrolíticos de aluminio : 3.900 millones de dólares (22%);
• Condensadores de película y condensadores de papel: 2.600 millones de dólares (15%);
• Condensadores electrolíticos de tantalio : 2.200 millones de dólares (12%);
• Supercondensadores ( condensadores de doble capa ): 0,3 mil millones de dólares (2%); y
• Otros, como la mica de plata y los condensadores de vacío : 0,7 mil millones de dólares (3%).

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

Véase también

• Portal de electrónica

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

Referencias

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External links

• Spark Museum (von Kleist and Musschenbroek)
• Modeling Dielectric Absorption in Capacitors
• A different view of all this capacitor stuff
• Images of different types of capacitors
• Overview of different capacitor types
• Capsite 2015 Introduction to capacitors