1. Condensadores

Hay muchos conceptos erróneos sobre los condensadores, por lo que quería aclarar brevemente qué es la capacitancia y qué hacen los condensadores.

La capacitancia mide cuánta energía se almacenará en el campo eléctrico generado entre dos puntos diferentes para una diferencia de potencial dada. Esta es la razón por la cual la capacitancia a menudo se llama el 'dual' de la inductancia. La inductancia es cuánta energía almacenará un flujo de corriente dado en un campo magnético, y la capacitancia es lo mismo, pero para la energía almacenada en un campo eléctrico (por una diferencia de potencial, en lugar de corriente).

Los condensadores no almacenan carga eléctrica, que es el primer gran error. Almacenan energía. Por cada portador de carga que fuerza en una placa, sale un portador de carga en la placa opuesta. La carga neta sigue siendo la misma (despreciando cualquier posible carga 'estática' desequilibrada mucho más pequeña que podría acumularse en las placas exteriores asimétricas expuestas).

Los condensadores almacenan energía en el dieléctrico, NO en las placas conductoras. Solo dos cosas determinan la efectividad de un capacitor: sus dimensiones físicas (área de placa y distancia que las separa) y la constante dieléctrica del aislamiento entre las placas. Más área significa un campo más grande, placas más cercanas significan un campo más fuerte (ya que la fuerza del campo se mide en voltios por metro, por lo que la misma diferencia de potencial en una distancia mucho más pequeña produce un campo eléctrico más fuerte).

La constante dieléctrica es qué tan fuerte se generará un campo en un medio específico. La constante dieléctrica de 'línea de base' es$\varepsilon$, con un valor normalizado de 1. Esta es la constante dieléctrica de un vacío perfecto, o la intensidad de campo que se produce a través del propio espacio-tiempo. La materia tiene un impacto muy grande en esto y puede apoyar la generación de campos mucho más fuertes. Los mejores materiales son materiales con muchos dipolos eléctricos que mejorarán la fuerza de un campo generado dentro del material.

Área de placas, dieléctrico y separación de placas. Eso es realmente todo lo que hay para los condensadores. Entonces, ¿por qué son tan complicados y variados?

no lo son Excepto los que tienen mucho más de miles de pF de capacitancia. Si desea cantidades tan ridículas de capacitancia como las que damos por sentadas en la actualidad, cantidades tales como millones de picofaradios (microfaradios) e incluso un orden de magnitudes más allá, estamos a merced de la física.

Como cualquier buen ingeniero, frente a los límites impuestos por las leyes de la naturaleza, hacemos trampa y sorteamos esos límites de todos modos. Los condensadores electrolíticos y los condensadores cerámicos de alta capacitancia (0,1 µF a 100 µF+) son los trucos sucios que usamos.

2. Condensadores electrolíticos

Aluminio

La primera y más importante distinción (por la que reciben su nombre) es que los capacitores electrolíticos usan un electrolito. El electrolito sirve como segunda placa. Al ser un líquido, esto significa que puede estar directamente contra un dieléctrico, incluso uno que tenga una forma irregular. En los condensadores electrolíticos de aluminio, esto nos permite aprovechar la oxidación de la superficie del aluminio (el material duro, a veces deliberadamente poroso e impregnado de tinte para los colores, sobre el aluminio anodizado que equivale a un revestimiento aislante de zafiro) para usarlo como dieléctrico. Sin embargo, sin una 'placa' electrolítica, la irregularidad de la superficie impediría que una placa metálica rígida se acercara lo suficiente como para obtener alguna ventaja al usar óxido de aluminio en primer lugar.

Aún mejor, al usar un líquido, la superficie del papel de aluminio se puede volver rugosa, lo que provoca un gran aumento en el área de superficie efectiva. Luego se anodiza hasta que se forma una capa suficientemente gruesa de óxido de aluminio en su superficie. Una superficie rugosa de la cual todo estará directamente adyacente a la otra 'placa': nuestro electrolito líquido.

Sin embargo, hay problemas. El más familiar es la polaridad. Anodización de aluminio, si no se nota por su similitud con la palabra ánodo, es un proceso dependiente de la polaridad. El condensador debe utilizarse siempre en la polaridad que anodiza el aluminio. La polaridad opuesta permitirá que el electrolito destruya el óxido de la superficie, lo que te deja con un condensador en cortocircuito. Algunos electrolitos devorarán lentamente esta capa de todos modos, por lo que muchos condensadores electrolíticos de aluminio tienen una vida útil. Están diseñados para ser utilizados, y ese uso tiene el efecto secundario beneficioso de mantener e incluso restaurar el óxido superficial. Sin embargo, con un tiempo de inactividad suficiente, el óxido puede destruirse por completo. Si debe usar un condensador viejo y polvoriento de condición insegura, es mejor 'reformarlo' aplicando una corriente muy baja (cientos de µA a mA) de una fuente de alimentación de corriente constante, y deje que el voltaje aumente lentamente hasta que alcance su valor máximo. tensión nominal.

El otro problema es que los electrolitos son, debido a la química, algo iónico disuelto en un solvente. Los de aluminio sin polímero usan agua (con algunos otros ingredientes de 'salsa secreta' agregados). ¿Qué hace el agua cuando la corriente fluye a través de ella? ¡Se electroliza! Genial si querías oxígeno y gas hidrógeno, terrible si no. En las baterías, la recarga controlada puede reabsorber este gas, pero los capacitores no tienen una reacción electroquímica que sea inversa. Solo están usando el electrolito como algo que es conductor. Entonces, pase lo que pase, generan cantidades diminutas de gas hidrógeno (el oxígeno se usa para construir la capa de óxido de aluminio) y, aunque es muy pequeño, nos impide sellar herméticamente estos capacitores. Así se secan.

La vida útil estándar a temperatura máxima es de 2.000 horas. Eso no es muy largo. Alrededor de 83 días. Esto se debe simplemente a que las temperaturas más altas hacen que el agua se evapore más rápidamente. Si desea que algo dure, es importante mantenerlo lo más fresco posible y obtener los modelos de mayor resistencia (he visto modelos de hasta 15,000 horas). A medida que el electrolito se seca, se vuelve menos conductivo, lo que aumenta la ESR, lo que a su vez aumenta el calor, lo que agrava el problema.

tantalio

Los condensadores de tantalio son la otra variedad de condensadores electrolíticos. Estos utilizan dióxido de manganeso como electrolito, que es sólido en su forma final. Durante la producción, el dióxido de manganeso se disuelve en un ácido, luego se deposita electroquímicamente (similar a la galvanoplastia) sobre la superficie del polvo de tantalio que luego se sinteriza. No conozco los detalles exactos de la parte 'mágica' donde crean una conexión eléctrica entre todas las pequeñas piezas de polvo de tantalio y el dieléctrico (¡se agradecen las ediciones o los comentarios!), Pero basta con decir que los capacitores de tantalio están hechos de tantalio debido a una química que nos permite fabricarlos fácilmente a partir de un polvo (área de superficie alta).

Esto les da una excelente eficiencia volumétrica, pero a un costo: el tantalio libre y el dióxido de manganeso pueden sufrir una reacción similar a la termita, que es aluminio y óxido de hierro. Solo que la reacción de tantalio tiene temperaturas de activación mucho más bajas: temperaturas que se alcanzan fácil y rápidamente si la polaridad opuesta o un evento de sobretensión perforan un agujero a través del dieléctrico (pentóxido de tantalio, muy parecido al óxido de aluminio) y crean un cortocircuito. Esta es la razón por la que ve que el voltaje y la corriente de los capacitores de tantalio se reducen en un 50% o más. Para aquellos que no conocen la termita (que es mucho más caliente pero no muy diferente a la reacción de tantalio y MnO ₂ ), hay una tonelada de fuego y calor. Se utiliza para soldar rieles de ferrocarril entre sí y realiza esta tarea en segundos.

También hay condensadores electrolíticos de polímeros, que utilizan un polímero conductor que, en su forma de monómero, es un líquido, pero cuando se expone al catalizador adecuado, se polimerizará en un material sólido. Esto es como el superpegamento, que es un monómero líquido que polimeriza en sólido una vez que se expone a la humedad (ya sea dentro o sobre las superficies a las que se aplica, o del aire mismo). De esta manera, los condensadores de polímero pueden ser principalmente un electrolito sólido, lo que da como resultado una ESR reducida, una mayor longevidad y, en general, una mejor robustez. Sin embargo, todavía tienen una pequeña cantidad de solvente en la matriz polimérica, y es necesario que sea conductor. Así que todavía se secan. Lamentablemente, no hay almuerzo gratis.

Ahora bien, ¿cuáles son las propiedades eléctricas reales de este tipo de condensadores? Ya mencionamos la polaridad, pero la otra es su ESR y ESL. Los condensadores electrolíticos, debido a que están construidos como una placa muy larga enrollada en una bobina, tienen una ESL (inductancia en serie equivalente) relativamente alta. De hecho, son tan altos que son completamente ineficaces como condensadores por encima de 100 kHz o 150 kHz para tipos de polímero. Por encima de esta frecuencia, son básicamente solo resistencias que bloquean la CC. No le harán nada a su ondulación de voltaje y, en cambio, harán que la ondulación sea igual a la corriente de ondulación multiplicada por la ESR del capacitor, lo que a menudo puede empeorar la ondulación . Por supuesto, esto significa que cualquier tipo de ruido o pico de alta frecuencia atravesará un condensador electrolítico de aluminio como si no estuviera allí.

Los tantalios no son tan malos, pero aún pierden su efectividad con frecuencias medias (los mejores y más pequeños pueden alcanzar casi 1MHz, la mayoría pierde su característica capacitiva alrededor de 300–600kHz).

En general, los condensadores electrolíticos son excelentes para almacenar una tonelada de energía en un espacio pequeño, pero en realidad solo son útiles para lidiar con el ruido o la ondulación por debajo de 100 kHz. Si no fuera por esa debilidad crítica, habría pocas razones para usar cualquier otra cosa.

3. Condensadores cerámicos

Los condensadores cerámicos utilizan una cerámica como dieléctrico, con metalización en ambos lados como placas. No entraré en los tipos de Clase 1 (baja capacitancia), sino solo en la Clase II.

Los capacitores de clase II hacen trampa usando el efecto ferroeléctrico. Esto es muy parecido al ferromagnetismo, solo que con campos eléctricos en su lugar. Un material ferroeléctrico tiene una tonelada de dipolos eléctricos que pueden, en mayor o menor medida, orientarse en presencia de un campo eléctrico externo. Entonces, la aplicación de un campo eléctrico alineará los dipolos, lo que requiere energía y hace que una cantidad masiva de energía finalmente se almacene en el campo eléctrico. ¿Recuerdas cómo un vacío era la línea de base de 1? Las cerámicas ferroeléctricas utilizadas en los MLCC modernos tienen una constante dieléctrica del orden de 7.000.

Desafortunadamente, al igual que los materiales ferromagnéticos, a medida que un campo cada vez más fuerte magnetiza (o polariza en nuestro caso) un material, comienza a quedarse sin más dipolos para polarizar. Se satura. En última instancia, esto se traduce en la desagradable propiedad de los condensadores cerámicos de tipo X5R/X7R/etc: su capacitancia cae con el voltaje de polarización. Cuanto mayor sea el voltaje en sus terminales, menor será su capacitancia efectiva. La cantidad de energía almacenada siempre aumenta con el voltaje, pero no es tan buena como cabría esperar en función de su capacitancia imparcial.

La clasificación de voltaje de un capacitor cerámico tiene muy poco efecto sobre esto. De hecho, el voltaje de resistencia real de la mayoría de las cerámicas es mucho más alto, 75 o 100 V para los de voltaje más bajo. De hecho, sospecho que muchos condensadores cerámicos son exactamente de la misma pieza pero con diferentes números de pieza, el mismo condensador de 4,7 µF se vende como condensador de 35 V y 50 V con etiquetas diferentes. El gráfico de la capacitancia frente al voltaje de polarización de algunos MLCC es idéntico, excepto por el de voltaje más bajo que tiene su gráfico truncado en su voltaje nominal. Sospechoso, sin duda, pero podría estar equivocado.

De todos modos, comprar cerámicas de mayor calificación no hará nada para combatir esta caída de capacitancia relacionada con el voltaje, el único factor que finalmente juega un papel es el volumen físico del dieléctrico. Más material significa más dipolos. Entonces, los capacitores físicamente más grandes retendrán más de su capacitancia bajo voltaje.

Esto tampoco es un efecto trivial. Un capacitor cerámico 1210 10µF 50V, una verdadera bestia de capacitor, perderá el 80% de su capacitancia por 50V. Algunos son un poco mejores, otros son un poco peores, pero el 80% es una cifra razonable. Lo mejor que he visto fue un 1210 (pulgadas) que mantiene alrededor de 3 µF de capacitancia en el momento en que alcanza los 60 V, en un paquete de 1210 de todos modos. Una cerámica de 50 V de tamaño 10 µF 1206 (pulgadas) tendrá suerte si le quedan 500 nF por 50 V.

Las cerámicas de Clase II también son piezoeléctricas y piroeléctricas, aunque esto realmente no las afecta eléctricamente. Se sabe que vibran o cantan debido a la ondulación y pueden actuar como micrófonos. Probablemente sea mejor evitar usarlos como capacitores de acoplamiento en circuitos de audio.

De lo contrario, la cerámica tiene el ESL y ESR más bajo de cualquier condensador. Son los más "condensadores" del grupo. Su ESL es tan bajo que la fuente principal es la altura de las terminaciones finales en el paquete mismo . Sí, esa altura de una cerámica 0805 es la fuente principal de sus 3 nH de ESL. Todavía se comportan como condensadores en muchos MHz, o incluso más para tipos de RF especializados. También pueden desacoplar mucho ruido y desacoplar cosas muy rápidas como circuitos digitales, cosas para las que los electrolíticos son inútiles.

En conclusión, los electrolíticos son:

• mucha capacitancia a granel en un paquete pequeño
• terrible en todos los demás sentidos

Son lentos, se desgastan, se incendian, se convertirán en un corto si los polarizas mal. Según todos los criterios por los que se miden los capacitores, excepto por la capacitancia en sí misma, los electrolíticos son absolutamente terribles. Los usas porque tienes que hacerlo, nunca porque quieras.

Las cerámicas son:

• Inestable y pierde gran parte de su capacitancia bajo polarización de voltaje
• Pueden vibrar o actuar como micrófonos. ¡O nanoaccionadores!
• Son por lo demás impresionantes.

Los condensadores cerámicos son lo que desea usar, pero no siempre puede hacerlo. En realidad, se comportan como capacitores e incluso a altas frecuencias, pero no pueden igualar la eficiencia volumétrica de los electrolíticos, y solo los tipos de Clase 1 (que tienen cantidades muy pequeñas de capacitancia) tendrán una capacitancia estable. Varían bastante con la temperatura y el voltaje. Oh, también pueden agrietarse y no son tan robustos mecánicamente.

Oh, una última nota, puede usar electrolíticos muy bien en aplicaciones de CA/no polarizadas, con todos sus otros problemas aún en juego, por supuesto. Simplemente conecte un par de capacitores electrolíticos polarizados regulares, con terminales de terminales de la misma polaridad juntos, y ahora los extremos de polaridad opuesta son los terminales de un nuevo electrolítico no polar. Siempre que sus valores de capacitancia coincidan bastante y haya una cantidad limitada de polarización de CC de estado estable, los capacitores parecen resistir el uso.

Por ejemplo, ¿por qué veo que se sugiere usar tapas de cerámica para el desacoplamiento de energía por microprocesador y un capacitor electrolítico más grande por placa? ¿Por qué no usar electrolíticos por todas partes?

Los tres tipos principales tienen características diferentes. Le sugiero que investigue un poco sobre ellos, pero lo principal que debe buscar es

• frecuencia de resonancia propia (provocada por la inductancia en serie efectiva). Ejemplo simple que se muestra a continuación: -

• Pérdidas dieléctricas (generalmente a altas frecuencias): -

• resistencia en serie efectiva (más pérdidas)

• cambio en capacitancia con voltaje aplicado (no es bueno para filtros): -

• cambio de capacitancia con la temperatura (tampoco es bueno para filtros): -

• expectativas de tolerancia inicial

• ondulación de corriente (importante para las fuentes de alimentación debido a los altos picos de demanda): -

• Capacidad para evitar cortocircuitos (condensadores X e Y)

• Micrófonos bajos (importante en aplicaciones de audio sensibles). Aquí hay un tipo que lo sabe: -

• Las tapas electrolíticas básicas están polarizadas, por lo que las aplicaciones de CA están restringidas. Aquí está el circuito equivalente: -

Estoy seguro de que hay algunas otras cosas, pero estas se harán evidentes durante su investigación.

La diferencia obvia es que los electrolíticos son mucho más grandes que los cerámicos. Las cerámicas de 1 mm por 0,5 mm son una variedad común de jardín, sus latas electrolíticas son mucho más grandes.

Luego, como ya han señalado otros, los electrolíticos no funcionan tan bien en altas frecuencias, por lo que no son adecuados para pasar por alto las frecuencias "altas", no pueden mantenerse al día con un chip de 1MHz, y mucho menos con un gigabit ethernet PHY de 125MHz.

Otro punto de discordia es la ESR. En aplicaciones de energía, esto tiende a traducirse directamente en calor residual en los nodos de conmutación, por lo que se tiende a elegir un electrolítico por la clasificación de corriente de ondulación en lugar de la capacitancia.

El electrolítico también es bastante horrible con la estabilidad de la temperatura, etc., por lo que su capacitancia puede variar bastante.

La cerámica ha progresado mucho, cuando comencé, la cerámica de 100 nF era de "gran capacidad". Ahora puedes comprar cerámica de 10uF a bajo precio. El inconveniente aquí que no es obvio es que las cerámicas "grandes" que usan dieléctrico X7R (o peor) pierden capacitancia a medida que el voltaje más alto al que están sujetos. Su cerámica de 10uF 80V puede ser solo 1uF a 63V.

La tolerancia de voltaje de cerámica tampoco es una guía, si se pasa por encima de un voltio, comenzará a fallar. No es que alguna vez debas usar pasivos sin reducir la calificación.

Entonces, por lo tanto, el electrolítico grande puede proporcionar un gran "cubo de electrones" que se mantiene al día con los picos de potencia de baja frecuencia en los circuitos. Las cerámicas más pequeñas ocupan las frecuencias medias hasta 50 MHz aproximadamente, a menos que tenga mucho cuidado con la ubicación, el enrutamiento y la selección de piezas. Para frecuencias altas reales, desea planos de potencia estrechamente acoplados.

Otro inconveniente con la cerámica es la impedancia sobre la frecuencia, la gran capacitancia no funciona tan bien con las altas frecuencias y viceversa. Esto tiene que ver con capacitancias e inductancias debido al paquete físico.

Propiedades de los condensadores electrolíticos

• Eficaz a baja frecuencia
• Gran capacitancia
• Bajo costo
• VSG grande
• ESL grande

Propiedades de los condensadores cerámicos

• Eficaz a alta frecuencia
• La capacitancia efectiva disminuye con el voltaje de polarización.
• Más caro que el condensador electrolítico
• VSG baja
• ESL bajo
• Tamaño de condensador limitado

Hay muchos factores que influirían en la decisión de qué tipo de capacitor usar en un caso dado. Aquí hay algunos:

1. El costo es un factor. Una aplicación determinada requerirá un determinado conjunto de especificaciones, como la capacidad y el costo, que guiarán la decisión.

2. Requisitos de desempeño. Se deseará cumplir con ciertos objetivos, como la respuesta transitoria. Si una especificación como la ESR (resistencia en serie efectiva) es demasiado alta, es posible que el capacitor no proporcione los requisitos de flujo de corriente necesarios.

3. Tamaño y Montaje. El método de fijación al circuito también guiará la selección. Un SMT pequeño puede ser mucho más fácil de sujetar contra los pines de un IC, mientras que un tipo con plomo puede ser más resistente.

Las diferencias tangibles podrían ser:

1. Los capacitores cerámicos tienen una ESR más baja y debido a esto ofrecen corrientes de fuga más bajas que los capacitores electrolíticos. Consejo: Trate de usar condensadores cerámicos en sus diseños alimentados por baterías.

2. Lowe ESR también significa que los condensadores cerámicos tienen una mejor respuesta transitoria para que puedan proporcionar corriente (más fácilmente) durante un transitorio.

3. Los capacitores electrolíticos no ofrecen una buena estabilidad de temperatura por lo que su capacitancia puede variar un 20% o un 30% de su valor original.

4. Precio: si necesita grandes valores de capacitancia (digamos> 100uF), verá que los condensadores cerámicos son muy caros en comparación con los condensadores electrolíticos.