¿Cómo elegir el condensador adecuado para equipos electrónicos de automoción?

Aunque los componentes pasivos (como los condensadores) no son tan atractivos como los microprocesadores y los procesadores de señales digitales, aún deben ser confiables para aplicaciones automotrices. La elección de los condensadores más fiables para la electrónica automotriz actual requiere que los ingenieros de diseño prueben una serie de diferentes parámetros de componentes y sus características de rendimiento. El siguiente paso es considerar el entorno utilizado por los equipos electrónicos automotrices y las aplicaciones específicas a las que sirve. Ahora, echemos un vistazo a las características de los cuatro condensadores dieléctricos principales: condensadores de tantalio, condensadores electrolíticos de aluminio, condensadores de película múltiple y condensadores cerámicos; explicar los conceptos de coeficiente de temperatura de capacitancia y coeficiente de voltaje; Vea cómo estos factores y otros factores afectan la elección de los condensadores para una aplicación en particular.

Cada dieléctrico capacitivo diferente tiene su capacitancia y rango de voltaje específicos (ver más abajo). Sin embargo, debido a que la aplicación requiere que el valor de capacitancia esté aproximadamente entre 0,1 y 10 F, y el voltaje sea inferior a 50 V, habrá varias opciones superpuestas.

Para conocer las características de rendimiento de estos diferentes tipos de condensadores, es necesario dominar algunos conocimientos básicos sobre condensadores. Solo necesitamos usar una fórmula para determinar la capacitancia de cada capacitor:

Cada dieléctrico capacitivo tiene una constante dieléctrica fija (K). Por lo tanto, para un tipo dado de dieléctrico capacitivo, el tamaño del capacitor es proporcional al área de la superficie (A) de la placa activa del capacitor e inversamente proporcional al espesor del dieléctrico (t). El grosor del dieléctrico también determina la tolerancia de voltaje (voltaje nominal) del capacitor.

La constante dieléctrica típica y el valor de rigidez dieléctrica (tensión soportada) de estos cuatro tipos básicos de condensadores se indican a continuación. Como hemos visto, cuando una constante dieléctrica baja se combina con una resistencia de ruptura dieléctrica baja (como si se conecta a un condensador de película múltiple), se producirá una eficiencia volumétrica baja. Sin embargo, el tamaño del objeto es solo una de las características del condensador. Por ejemplo, el tamaño del condensador de película es muy grande, pero tiene características electrónicas muy eficientes y estables, lo que compensa las deficiencias de su gran tamaño.

La siguiente figura muestra el proceso de trabajo del condensador. La resistencia en serie equivalente (ESR) es la parte real de la impedancia y representa la pérdida del condensador. El valor de ESR variará con los cambios de temperatura, frecuencia y tipo dieléctrico. La resistencia de aislamiento determina la magnitud de la corriente de fuga de CC cuando se aplica un voltaje dado a través del capacitor. La corriente de fuga varía con la temperatura y el voltaje aplicado a ambos extremos del condensador, y la corriente de fuga de los condensadores cerámicos (electrostáticos) de película delgada es mucho menor que la de los condensadores electrolíticos de plomo y tantalio.

Se utilizan varios tipos de condensadores en aplicaciones de automoción, pero ahora existe una tendencia a utilizar componentes más grandes y complejos. Aunque la industria automotriz utiliza muchos componentes que contienen plomo, las placas de circuito antiguas están siendo reemplazadas rápidamente por la tecnología de componentes de montaje en superficie (SMD).

En la clasificación más común, los condensadores se dividen en dos estructuras básicas: condensadores electrostáticos (condensadores de película y condensadores cerámicos) y condensadores electrolíticos (condensadores de tantalio y condensadores de aluminio). Los condensadores electrostáticos generalmente exhiben una ESR e impedancia (Z) muy bajas, y son componentes no polares, lo que significa que pueden enviarse a la línea de ensamblaje en grandes cantidades para ser insertados en la placa de circuito impreso a alta velocidad. En términos generales, los condensadores electrolíticos pueden proporcionar una mayor capacitancia, pero es un componente polar, por lo que debe instalarse en la placa impresa con la polaridad correcta. La siguiente tabla resume varios estándares básicos para comparar estos tipos de condensadores.

Sin embargo, cada condensador y cada tipo tiene sus características únicas; incluso en un tipo particular de condensador, si es adecuado para una aplicación determinada depende de su dieléctrico específico. Por ejemplo, los condensadores de tantalio no tienen un mecanismo de falla por desgaste y son particularmente adecuados para aplicaciones que requieren una larga vida útil y estabilidad. La esperanza de vida de los condensadores de aluminio se duplicará por cada 10 ℃ de disminución de temperatura, pero es importante mantenerlos alejados del detergente.

Los condensadores cerámicos no necesitan estar protegidos contra sobrecorrientes, pero se requiere un blindaje de alto voltaje para componentes con voltajes nominales altos. Los condensadores de película y película metálica son particularmente adecuados para aplicaciones de alta corriente, y los condensadores de tipo metálico tienen las características de autorreparación, lo que puede mejorar la confiabilidad de la aplicación.

Debido al espacio limitado, este artículo es difícil de describir en detalle las diferencias específicas en las propiedades eléctricas de varios dieléctricos. Sin embargo, la siguiente tabla ofrece algunos ejemplos para ayudarnos a comprender la información sobre los diferentes tipos de condensadores, que son necesarios para que podamos evaluar completamente la aplicación de un condensador determinado.

A continuación se compara la resistencia en serie equivalente (ESR) y la impedancia (Z) de los capacitores de tantalio y los capacitores cerámicos con valores de capacitancia similares.

1) Coeficiente de temperatura de capacitancia

A medida que cambia la temperatura, también cambia el valor de capacitancia. Esto se llama coeficiente de temperatura de capacitancia (TCC). La siguiente es una comparación entre un capacitor de tantalio y un capacitor cerámico Y5V.

La siguiente curva muestra la comparación de los condensadores de tantalio y los condensadores cerámicos X7R. En el diseño de circuitos, cuando se requiere un valor de capacitancia mínimo para todo el rango de temperatura, se debe considerar el TCC en el diseño.

2) Coeficiente de voltaje del condensador

Para los capacitores cerámicos, el voltaje aplicado al capacitor también afectará su capacitancia (la fuerza del campo eléctrico entre los dieléctricos cambiará la constante dieléctrica efectiva del material). Como se muestra en la figura anterior, al comparar voltajes nominales, esto no es un problema para dieléctricos estables como NPO o cuando el porcentaje de voltaje nominal es bajo. Esta característica se llama coeficiente de voltaje de capacitancia (VCC). Los coeficientes de voltaje de capacitancia de varios capacitores cerámicos diferentes se muestran a continuación.

Conclusión

No es fácil determinar el tipo de dieléctrico más adecuado para una aplicación determinada. La elección de un condensador es de hecho un problema de diseño en muchos aspectos. La aplicación puede requerir un valor de capacitancia mínimo o un valor de ESR muy bajo. También se deben considerar el costo, el tamaño y el empaque del capacitor. La cuestión de la fiabilidad al final de la vida también es importante. Cada tipo de condensador tiene su propio conjunto de características que lo convierten en la mejor opción para una aplicación determinada.