Los condensadores se fabrican en muchas formas, estilos, longitudes, circunferencias y de muchos materiales. Todos contienen al menos dos conductores eléctricos (llamados "placas") separados por una capa aislante (llamada dieléctrica ). Los condensadores se usan 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 " utilizados en equipos electrónicos . Aunque, en cifras absolutas, los condensadores más comunes son condensadores integrados (por ejemplo, en DRAM o estructuras de memoria flash ), este artículo se concentra en los diversos estilos de condensadores como componentes discretos.
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 tales como luces estroboscópicas, como partes de algunos tipos de motores eléctricos, o para la corrección del factor de potencia en los sistemas de distribución de energía de CA. Los condensadores estándar tienen un valor fijo de capacitancia , pero los condensadores ajustables se usan con frecuencia en circuitos sintonizados. Se utilizan diferentes tipos según la capacidad requerida, el voltaje de trabajo, la capacidad de manejo de corriente y otras propiedades.
Observaciones generales [ editar ]
Teoría de la construcción convencional [ editar ]
En un condensador convencional, la energía eléctrica se almacena estáticamente por separación de carga , típicamente electrones , en un campo eléctrico entre dos placas de electrodos . 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 grosor 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 alimentación", se construyen como "condensadores de placa" incluso si sus electrodos y el dieléctrico intermedio están enrollados o enrollados. La fórmula de capacitancia para condensadores de placa es:
- .
La capacitancia C aumenta con el área A de las placas y con la permitividad ε del material dieléctrico y disminuye con la distancia de separación de la placa d . Por lo tanto, la capacitancia es mayor en dispositivos hechos de materiales con alta permitividad, área de placa grande y pequeña distancia entre placas.
Teoría de la construcción electroquímica [ editar ]
Otro tipo, el condensador electroquímico , utiliza otros dos principios de almacenamiento para almacenar energía eléctrica. A diferencia de los condensadores cerámicos, de película y electrolíticos , los supercondensadores (también conocidos como condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracondensadores) no tienen un dieléctrico convencional. El valor de capacitancia de un capacitor electroquímico está determinado por dos principios de almacenamiento de alta capacidad. Estos principios son:
- almacenamiento electrostático dentro de las capas dobles de Helmholtz logradas en la interfaz de fase entre la superficie de los electrodos y el electrolito (capacitancia de doble capa) ; y
- almacenamiento electroquímico logrado mediante una transferencia de carga de electrones faradaica mediante iones adsorbidos específicamente con reacciones redox (pseudocapacitancia) . A diferencia de las baterías, en estas reacciones, los iones simplemente se adhieren a la estructura atómica de un electrodo sin formar o romper enlaces químicos, y no hay modificaciones químicas insignificantes o insignificantes en la carga / descarga.
La relación del almacenamiento resultante de cada principio puede variar mucho, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de capacitancia tanto como un orden de magnitud sobre el de la doble capa por sí mismo. [1]
Condensadores comunes y sus nombres [ editar ]
Los condensadores se dividen en dos grupos mecánicos: condensadores fijos con valores de capacitancia fijos y condensadores variables con valores de capacitancia variables (trimmer) o ajustables (ajustables).
El grupo más importante son los condensadores fijos. Muchos obtuvieron sus nombres del dieléctrico. Para una clasificación sistemática, estas características no se pueden usar, porque uno de los más antiguos, el condensador electrolítico, se denomina en su lugar por su construcción catódica. Entonces, los nombres más utilizados son simplemente históricos.
Los tipos más comunes de condensadores son:
- Los condensadores de cerámica tienen un dieléctrico de cerámica .
- 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 el ánodo y la construcción del cátodo ( electrolito )
- Los condensadores de polímero son condensadores electrolíticos de aluminio, tántalo o niobio con polímero conductor como electrolito.
- Supercapacitor es el apellido de:
- Los condensadores de doble capa fueron nombrados por el fenómeno físico de la doble capa de Helmholtz.
- Los pseudocondensadores fueron nombrados por su capacidad de almacenar energía eléctrica electroquímicamente con transferencia de carga faradaica reversible
- Los condensadores híbridos combinan pseudocondensadores de doble capa para aumentar la densidad de potencia.
- Los condensadores de mica de plata, vidrio, silicio, entrehierro y vacío se denominan así por su dieléctrico.
Además de los tipos de condensadores mostrados anteriormente, que derivaron su nombre del desarrollo histórico, hay muchos condensadores individuales que han sido nombrados en función de su aplicación. Incluyen:
- Los condensadores de potencia , condensadores de motor , condensadores de enlace de CC , los condensadores de supresión , condensadores filtro de cruce , iluminación condensadores de lastre , condensadores snubber , acoplamiento , desacoplamiento o sin pasar por condensadores.
A menudo, se emplea más de una familia de condensadores para estas aplicaciones, por ejemplo, la supresión de interferencias puede usar condensadores cerámicos o condensadores de película .
Dieléctricos [ editar ]
Los dieléctricos más comunes son:
- Cerámica
- Peliculas de plastico
- Capa de óxido sobre metal ( aluminio , tantalio , niobio )
- Materiales naturales como mica , vidrio , papel , aire , SF 6 , vacío
Todos ellos almacenan su carga eléctrica estáticamente dentro de un campo eléctrico entre dos electrodos (paralelos).
Debajo de estos condensadores convencionales se desarrolló una familia de condensadores electroquímicos llamados Supercondensadores . Los supercondensadores no tienen un dieléctrico convencional. Almacenan su carga eléctrica estáticamente en capas dobles de Helmholtz y faradaicamente en la superficie de los electrodos.
- con capacitancia estática de doble capa en un condensador de doble capa y
- con seudocapacidad (transferencia de carga faradaica) en un seudocondensador
- o con ambos principios de almacenamiento juntos en condensadores híbridos .
Los parámetros materiales más importantes de los diferentes dieléctricos utilizados y el appr. El espesor de la capa de Helmholtz se da en la tabla a continuación.
Estilo condensador | Dieléctrico | Permitividad relativa a 1 kHz | Máximo / realizado. rigidez dieléctrica V / µm | Espesor mínimo del dieléctrico µm |
---|---|---|---|---|
Condensadores cerámicos , clase 1 | paraeléctrico | 12–40 | <100 font="">100> | 1 |
Condensadores cerámicos, clase 2 | ferroeléctrico | 200–14,000 | <35 font="">35> | 0.5 0.5 |
Condensadores de película | Polipropileno (PP) | 2.2 2.2 | 650/450 | 1.9 - 3.0 |
Condensadores de película | Tereftalato de polietileno , poliéster (PET) | 3,3 | 580/280 | 0.7-0.9 |
Condensadores de película | Sulfuro de polifenileno (PPS) | 3.0 | 470/220 | 1,2 |
Condensadores de película | Naftalato de polietileno (PEN) | 3.0 | 500/300 | 0.9–1.4 |
Condensadores de película | Politetrafluoroetileno (PTFE) | 2,0 | 450 (?) / 250 | 5.5 |
Condensadores de papel | Papel | 3.5-5.5 | 60 60 | 5–10 |
Condensadores electrolíticos de aluminio | Óxido de aluminio Al 2 O 3 | 9,6 [7] | 710 | <0 .01="" font="" v="">0> <0 .8="" font="" v="">0> |
Condensadores electrolíticos de tantalio | Pentóxido de tantalio Ta 2 O 5 | 26 [7] | 625 | <0 .01="" font="" v="">0> <0 .08="" font="" v="">0> |
Condensadores electrolíticos de niobio | Pentóxido de niobio , Nb 2 O 5 | 42 | 455 | <0 .01="" font="" v="">0> <0 .10="" font="" v="">0> |
Supercondensadores Condensadores de doble capa | Helmholtz de doble capa | - | 5000 | <0 .001="" font="" v="">0> |
Condensadores de vacío | Vacío | 1 | 40 | - |
Condensadores de espacio de aire | Aire | 1 | 3,3 | - |
Condensadores de vidrio | Vaso | 5–10 | 450 | - |
Condensadores de mica | Mica | 5–8 | 118 | 4–50 |
El área de la placa del condensador se puede adaptar al valor de capacitancia deseado. La permitividad y el grosor dieléctrico son el parámetro determinante para los condensadores. La facilidad de procesamiento también es crucial. Las hojas delgadas y mecánicamente flexibles se pueden envolver o apilar fácilmente, produciendo diseños grandes con altos valores de capacitancia. Sin embargo, las capas cerámicas sinterizadas metalizadas, muy delgadas y cubiertas de electrodos metalizados, ofrecen las mejores condiciones para la miniaturización de circuitos con estilos SMD.
Una breve vista de las figuras en la tabla anterior da la explicación de algunos hechos simples:
- Los supercondensadores tienen la densidad de capacitancia más alta debido a sus principios especiales de almacenamiento de carga.
- Los condensadores electrolíticos tienen menor densidad de capacitancia que los supercondensadores, pero la mayor densidad de capacitancia de los capacitores convencionales debido al delgado dieléctrico.
- Los condensadores de cerámica clase 2 tienen valores de capacitancia mucho más altos en un caso dado que los capacitores de clase 1 debido a su permitividad mucho más alta.
- Los condensadores de película con sus diferentes materiales de película plástica tienen una pequeña extensión en las dimensiones para un valor de capacitancia / voltaje dado de un condensador de película porque el espesor mínimo de película dieléctrica difiere entre los diferentes materiales de película.
Capacitancia y rango de voltaje [ editar ]
La capacidad varía de picofaradios a más de cientos de faradios. Las clasificaciones de voltaje pueden alcanzar los 100 kilovoltios. En general, la capacitancia y el voltaje se correlacionan con el tamaño físico y el costo.
Miniaturización [ editar ]
Como en otras áreas de la electrónica, la eficiencia volumétrica mide el rendimiento de la función electrónica por unidad de volumen. Para los condensadores, la eficiencia volumétrica se mide con el "producto CV", calculado multiplicando la capacitancia (C) por la clasificación de voltaje máximo (V), dividido por el volumen. De 1970 a 2005, las eficiencias volumétricas han mejorado dramáticamente.
Rango superpuesto de las aplicaciones [ editar ]
Estos condensadores individuales pueden realizar su aplicación independientemente de su afiliación a un tipo de condensador que se muestra arriba, de modo que existe una gama superpuesta de aplicaciones entre los diferentes tipos de condensadores.
Tipos y estilos [ editar ]
Condensadores de cerámica [ editar ]
Un condensador cerámico es un condensador fijo no polarizado formado por dos o más capas alternas de cerámica y metal en el que el material cerámico actúa como el dieléctrico y el metal actúa como los electrodos. El material cerámico es una mezcla de gránulos finamente molidos de materiales paraeléctricos o ferroeléctricos , modificados por óxidos mixtos que son necesarios para lograr las características deseadas del condensador. El comportamiento eléctrico del material cerámico se divide en dos clases de estabilidad:
- Condensadores cerámicos de clase 1 con alta estabilidad y bajas pérdidas que compensan la influencia de la temperatura en la aplicación de circuitos resonantes. Las abreviaturas comunes de códigos EIA / IEC son C0G / NP0, P2G / N150, R2G / N220, U2J / N750, etc.
- Condensadores cerámicos de clase 2 con alta eficiencia volumétrica para aplicaciones de amortiguación, derivación 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 de cerámica funciona bien para muchas aplicaciones especiales y permite una enorme diversidad de estilos, formas y una gran dispersión dimensional de los condensadores de cerámica. El condensador discreto más pequeño, por ejemplo, es un condensador de chip "01005" con una dimensión de solo 0.4 mm × 0.2 mm.
La construcción de condensadores de cerámica multicapa con capas en su mayoría alternadas da como resultado condensadores individuales conectados en paralelo. Esta configuración aumenta la capacitancia y disminuye todas las pérdidas e inductancias parasitarias . Los condensadores de cerámica son adecuados para altas frecuencias y altas cargas de pulsos de corriente.
Debido a que el espesor de la capa dieléctrica de cerámica se puede controlar y producir fácilmente mediante el voltaje de aplicación deseado, los condensadores de cerámica están disponibles con voltajes nominales de hasta el rango de 30 kV.
Algunos condensadores cerámicos de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para aplicaciones especiales, incluidos los condensadores de supresión RFI / EMI para la conexión a la red de suministro, también conocidos como condensadores de seguridad, [8] X2Y® y condensadores de tres terminales para desviar y desacoplar aplicaciones, [9] [10] condensadores de alimentación para supresión de ruido mediante filtros de paso bajo [11] y condensadores de potencia de cerámica para transmisores y aplicaciones de HF. [12] [13]
Condensadores de película [ editar ]
Los condensadores de película o los condensadores de película de plástico son condensadores no polarizados con una película de plástico aislante como el dieléctrico. Las películas dieléctricas se dibujan en una capa delgada, provista de electrodos metálicos y enrolladas en un devanado cilíndrico. Los electrodos de los condensadores de película pueden ser aluminio o zinc metalizados, aplicados en uno o ambos lados de la película de plástico, lo que da como resultado condensadores de película metalizada o una lámina metálica separada que recubre la película, llamada condensadores de película / lámina.
Los condensadores de película metalizada ofrecen propiedades de autocuración. Las averías dieléctricas o los cortocircuitos entre los electrodos no destruyen el componente. La construcción metalizada permite producir condensadores enrollados con valores de capacitancia más grandes (hasta 100 µF y más grandes) en casos más pequeños que dentro de la construcción de película / lámina.
Los condensadores de película / lámina o los condensadores de lámina metálica usan 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 conectar 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 todas las rutas actuales muy cortas. El diseño se comporta como una gran cantidad de condensadores individuales conectados en paralelo, reduciendo así las pérdidas óhmicas internas ( ESR ) y ESL . La geometría inherente de la estructura del condensador de película da como resultado bajas pérdidas óhmicas y una baja inductancia parásita, lo que las hace adecuadas para aplicaciones con altas sobretensiones ( amortiguadores ) y para aplicaciones de alimentación de CA, o para aplicaciones a frecuencias más altas.
Las películas de plástico utilizadas como dieléctrico para condensadores de película son polipropileno (PP), poliéster (PET), sulfuro de polifenileno (PPS), naftalato de polietileno (PEN) y politetrafluoroetileno o teflón (PTFE). El material de película de polipropileno con una cuota de mercado de alrededor del 50% y la película de poliéster con algo alrededor del 40% son los materiales de película más utilizados. El resto de algo alrededor del 10% será utilizado por todos los demás materiales, incluidos PPS y papel con aproximadamente el 3%, cada uno. [14] [15]
Material de la película, códigos abreviados. | |||||
---|---|---|---|---|---|
Características de la película | MASCOTA | BOLÍGRAFO | PPS | PÁGINAS | |
Permitividad relativa a 1 kHz | 3,3 | 3.0 | 3.0 | 2.2 2.2 | |
Espesor mínimo de película (µm) | 0.7-0.9 | 0.9–1.4 | 1,2 | 2.4–3.0 | |
Absorción de humedad (%) | bajo | 0.4 0.4 | 0,05 | <0 .1="" font="">0> | |
Rigidez dieléctrica (V / µm) | 580 | 500 | 470 | 650 | |
Prueba de voltaje realizada comercialmente (V / µm) | 280 | 300 | 220 | 400 | |
Rango de voltaje de CC (V) | 50–1,000 | 16-250 | 16–100 | 40–2,000 | |
Rango de capacitancia | 100 pF – 22 µF | 100 pF – 1 µF | 100 pF – 0.47 µF | 100 pF – 10 µF | |
Rango de temperatura de aplicación (° C) | −55 a +125 / + 150 | −55 a +150 | −55 a +150 | −55 a +105 | |
C / C 0 versus rango de temperatura (%) | ± 5 | ± 5 | ± 1.5 | ± 2.5 | |
Factor de disipación (• 10 −4 ) | |||||
a 1 kHz | 50-200 | 42-80 | 2–15 | 0.5-5 | |
a 10 kHz | 110-150 | 54-150 | 2.5-25 | 2–8 | |
a 100 kHz | 170–300 | 120–300 | 12-60 | 2–25 | |
a 1 MHz | 200-350 | - | 18-70 | 4–40 | |
Constante de tiempo R Insul • C (s) | a 25 ° C | ≥10,000 | ≥10,000 | ≥10,000 | ≥100,000 |
a 85 ° C | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 10,000 | |
Absorción dieléctrica (%) | 0.2–0.5 | 1–1.2 | 0.05–0.1 | 0.01–0.1 | |
Capacitancia específica (nF • V / mm 3 ) | 400 | 250 | 140 | 50 |
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 de suministro, también conocidos como condensadores de seguridad, [16] condensadores amortiguadores para sobretensiones muy altas, [17] Motor condensadores de funcionamiento, condensadores de CA para aplicaciones de funcionamiento del motor [18]
Condensadores de película de potencia [ editar ]
Un tipo relacionado es el condensador de película de potencia . Los materiales y las técnicas de construcción utilizados para los condensadores de película de gran potencia en su mayoría son similares a los de los condensadores de película ordinarios. Sin embargo, los condensadores con potencias altas a muy altas para aplicaciones en sistemas de energía e instalaciones eléctricas a menudo se clasifican por separado, por razones históricas. La estandarización de los condensadores de película ordinarios está orientada a parámetros eléctricos y mecánicos. Por el contrario, la estandarización de los condensadores de potencia enfatiza la seguridad del personal y los equipos, según lo establecido por la autoridad reguladora local.
A medida que los equipos electrónicos modernos adquirieron la capacidad de manejar niveles de potencia que anteriormente 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 era aproximadamente a una potencia reactiva de 200 voltios-amperios.
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 costo y como electrodos portadores libres de campo (condensadores de lámina empapada) para cargas de pulso de alta corriente o alta corriente. Los devanados se pueden llenar con un aceite aislante o con resina epoxi para reducir las burbujas de aire, evitando así cortocircuitos.
Encuentran uso como convertidores para cambiar el voltaje, la corriente o la frecuencia, para almacenar o suministrar energía eléctrica abruptamente o para mejorar el factor de potencia. El rango de voltaje nominal de estos condensadores es de aproximadamente 120 V CA (balastros de iluminación capacitiva) a 100 kV. [19]
Condensadores electrolíticos [ editar ]
Los condensadores electrolíticos tienen un ánodo metálico cubierto con una capa oxidada utilizada como dieléctrico. El segundo electrodo es un electrolito no sólido (húmedo) o sólido. Los condensadores electrolíticos están polarizados. Hay tres familias disponibles, clasificadas 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 altamente rugoso para aumentar el área de superficie. Esto y la relativamente alta permitividad de la capa de óxido le da a estos condensadores una capacidad muy alta por unidad de volumen en comparación con los condensadores de película o cerámica.
La permitividad del pentóxido de tantalio es aproximadamente tres veces mayor que el óxido de aluminio, produciendo componentes significativamente más pequeños. Sin embargo, la permitividad determina solo las dimensiones. Los parámetros eléctricos, especialmente la conductividad , se establecen por el material y la composición del electrolito. Se utilizan tres tipos generales de electrolitos:
- no sólido (húmedo, líquido): conductividad de aproximadamente 10 mS / cm y es el costo más bajo
- óxido de manganeso sólido: la conductividad de aproximadamente 100 mS / cm ofrece alta calidad y estabilidad
- polímero conductivo sólido ( polipirrol o PEDOT: PSS ): conductividad de aproximadamente 100 ... 500 S / cm, [20] [21] ofrece valores de ESR tan bajos como <10 font="" m="">10>
Las pérdidas internas de los condensadores electrolíticos, predominantes para aplicaciones de desacoplamiento y amortiguación, están determinadas por el tipo de electrolito.
Material del ánodo | Electrólito | Rango de capacitancia (µF) | Max. tensión nominal a 85 ° C (V) | Temperatura de categoría superior (° C) | Corriente de ondulación específica (mA / mm 3 ) 1) |
---|---|---|---|---|---|
Aluminio (lámina rugosa) | no sólido, por ejemplo , etilenglicol , DMF , DMA , GBL | 0.1–2,700,000 | 600 | 150 | 0.05–2.0 |
sólido, dióxido de manganeso (MnO 2 | 0.1–1,500 | 40 | 175 | 0.5–2.5 | |
polímero conductor sólido (p. ej. PEDOT: PSS ) | 10–1,500 | 250 | 125 | 10-30 | |
Tantalio (lámina rugosa) | ácido sulfúrico no sólido | 0.1–1,000 | 630 | 125 | - |
Tantalio (sinterizado) | ácido sulfúrico no sólido | 0.1–15,000 | 150 | 200 | - |
dióxido de manganeso sólido (MnO 2 | 0.1–3,300 | 125 | 150 | 1.5–15 | |
polímero conductor sólido (p. ej. PEDOT: PSS) | 10–1,500 | 35 | 125 | 10-30 | |
Niobio u óxido de niobio (sinterizado) | dióxido de manganeso sólido (MnO 2 | 1–1,500 | 10 | 125 | 5-20 |
|
La gran capacitancia por unidad de volumen de condensadores electrolíticos los hace valiosos en circuitos eléctricos de alta frecuencia y baja corriente , por ejemplo, en filtros de fuente de alimentación para desacoplar componentes de CA no deseados de las conexiones de alimentación de CC o como condensadores de acoplamiento en amplificadores de audio, para pasar o evitar señales de baja frecuencia y almacenamiento de grandes cantidades de energía. El valor de capacitancia relativamente alto de un capacitor electrolítico combinado con el ESR muy bajo del electrolito polimérico de los capacitores poliméricos , especialmente en los estilos SMD, los hace competidores de los capacitores de chip MLC en las fuentes de alimentación de las computadoras personales.
Los condensadores electrolíticos bipolares de aluminio (también llamados condensadores no polarizados) contienen dos láminas de aluminio anodizado, que se comportan como dos condensadores conectados en oposición en serie.
Los condensadores electrolíticos para aplicaciones especiales incluyen condensadores de arranque del motor, [22] condensadores de linterna [23] y condensadores de frecuencia de audio. [24]
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