Comparación y precauciones de los condensadores de película, condensadores cerámicos y condensadores electrolíticos.

Condensadores de película, cerámicos, de tantalio y electrolíticos: ¿cuáles son las diferencias entre estos tipos de condensadores y qué precauciones se deben tomar al usarlos? Este artículo compara varios tipos de condensadores y comparte la experiencia de varios ingenieros estadounidenses en su uso.

No des por sentado que los componentes pasivos y sencillos de tu diseño no causarán problemas. Componentes simples como los condensadores pueden generar inconvenientes importantes. El experto en electrónica analógica Bob Pease escribió un artículo en 1982 sobre la carga estática en los dieléctricos de los condensadores, y los principios que expuso siguen siendo válidos 39 años después.

Pease describió el problema de la carga estática dieléctrica como similar al efecto memoria de un condensador. Si un condensador de alto voltaje se descarga, el voltaje a través de él rebota cuando se elimina el cortocircuito. Otro nombre para la carga estática dieléctrica es absorción dieléctrica, que indica que el dieléctrico aislante del condensador ha absorbido carga, y esta queda "atrapada" en el dieléctrico. No puede descargarse, por lo que el voltaje reaparece. Esto no es sorprendente, ya que los micrófonos electret funcionan reteniendo intencionalmente la carga en la capa dieléctrica. La humectación puede representar un riesgo de descarga eléctrica para los condensadores en aplicaciones de motores de alto voltaje y puede interrumpir gravemente las aplicaciones de procesamiento de señales, ya que la carga se almacena en el condensador, que forma parte de un convertidor analógico-digital. La carga residual es un factor directo que introduce errores, lo que da lugar a lecturas de medición incorrectas.

Tengo un amigo que trabaja para una compañía de ADSL, donde sus tarjetas de línea se utilizan en la central telefónica. Estas tarjetas forman parte del hardware de la compañía telefónica y el módem DSL se comunica con ellas. DSL utiliza un gran número de bandas de frecuencia durante su funcionamiento. La tarjeta de línea mide la impedancia del cable de par trenzado que entra en la casa y se adapta al perfil de impedancia específico de ese cable. El prototipo de la tarjeta de línea funcionó a la perfección. Entonces, el ingeniero aplicó una señal de llamada a la línea, como si fuera un teléfono. La tarjeta de línea y el módem DSL se desbloqueaban y renegociaban la conexión, aunque no se había modificado el cableado entre ellos. Una señal de llamada telefónica es de aproximadamente 90 V CA. Este alto voltaje provocó absorción dieléctrica en algunos condensadores del circuito de la tarjeta de línea, y esta detectó el cambio de impedancia, desbloqueándose y renegociando así la conexión. Cuando mi amigo se dio cuenta de esto y reemplazó los condensadores por condensadores de baja humectación, el problema desapareció.

Aunque el símbolo esquemático de un condensador es sencillo, en realidad existen diversas estructuras. Para lograr la máxima capacitancia, los fabricantes producen condensadores electrolíticos de aluminio con lámina y un dieléctrico líquido. Esta estructura presenta dos problemas: los condensadores electrolíticos se polarizan y son poco fiables. Si se aplica un voltaje negativo al terminal positivo, el condensador puede explotar con gran fuerza. Por ello, es fundamental usar gafas de seguridad al encender un prototipo y al realizar la resolución de problemas, incluso si el técnico puede asegurar que todos los condensadores están soldados correctamente.

Los condensadores de tantalio también tienen valores de capacitancia elevados y son polarizados. Al igual que los condensadores electrolíticos, los condensadores de tantalio son varios órdenes de magnitud menos fiables que cualquier otro componente, con la excepción de los potenciómetros. Para una mayor fiabilidad, se pueden utilizar como alternativa condensadores de tantalio de grado militar con conexión en húmedo, aunque estos son más caros. También es importante tener en cuenta que el calor empeora la situación; incluso a temperatura ambiente, la corriente que fluye a través de estos condensadores de gran capacidad puede calentarlos mucho.

Hoy en día, muchos ingenieros consideran que los condensadores cerámicos son condensadores ideales, pero no es así. Si bien su capacitancia máxima es actualmente de varios cientos de µF, estos capacitores de gran capacitancia tienen coeficientes de temperatura deficientes, lo que significa que su capacitancia varía significativamente con las fluctuaciones de temperatura. Para lograr estabilidad de temperatura, se deben utilizar dieléctricos NPO o COG, que tienen valores de capacitancia mucho más pequeños, que van desde unos pocos pF hasta varios miles de pF. Dado que los condensadores de voltaje más alto requieren un mayor espacio entre sus placas, el tamaño, el voltaje y la capacitancia están directamente relacionados. Si se necesita un condensador de alto voltaje y alta capacitancia, se debe aceptar su tamaño físico mayor.

Otro problema con los condensadores cerámicos es que generan ruido. Un amigo mío diseñó una bombilla LED de 60 W. Sabía que para que la fuente de alimentación fuera tan fiable como el emisor LED, había que eliminar todos los condensadores electrolíticos. Encontró algunos condensadores cerámicos de alta capacitancia, pero descubrió que emitían un ruido fuerte cuando el circuito de atenuación se activaba a la frecuencia de conmutación del rango de audio. Los condensadores cerámicos también producen un efecto de vibración. Si se conecta un condensador cerámico a la ruta de la señal, se observa un salto brusco en la señal en el osciloscopio.

Antes trabajaba para contratistas militares, y siempre tenían a mano una amplia gama de condensadores de mica. Eran condensadores de bajas pérdidas, casi perfectos en términos de absorción dieléctrica y temperatura, pero esto conllevaba un gran tamaño y una baja capacitancia. Otra opción eran los condensadores de película bobinados o apilados. Los dieléctricos de película prácticamente no se humedecen y tienen un coeficiente de temperatura moderado. Otra ventaja que tenían sobre los condensadores de polipropileno similares era su capacidad de autorreparación, muy similar a la de los fiables condensadores Orange Drop de antaño. Si un alto voltaje rompía el aislamiento, la película dañada se fundía parcialmente y protegía el resto del condensador. La capacitancia era prácticamente la misma, y ​​la falla no era un cortocircuito ni un circuito abierto.

El parámetro clave de un condensador es su impedancia interna, que es tanto la inductancia serie equivalente (ESL) como la resistencia serie equivalente (ESR). Un condensador perfecto simplemente no existe, y la perfección puede causar problemas. Muchas arquitecturas de fuentes de alimentación conmutadas dependen de la ESR de sus condensadores de salida. La ESR proporciona una pequeña señal proporcional a la corriente que fluye hacia el condensador, que el chip de control utiliza en el circuito de retroalimentación. Por lo tanto, reemplazar un condensador electrolítico por un condensador cerámico más fiable podría provocar que la fuente de alimentación oscile bajo carga parcial o total. La mayoría de las hojas de datos de los chips de fuentes de alimentación indican claramente si se pueden utilizar condensadores de salida cerámicos. Asegúrese de modelar la ESL y la ESR de los condensadores utilizados mediante simulación Spice. Los condensadores más extremos son los supercondensadores, con valores de capacitancia que alcanzan varios faradios, pero que normalmente operan a voltajes más bajos. Se puede pensar en los supercondensadores como baterías; tienen tres ventajas importantes. Primero, su vida útil no se acorta; incluso después de 10.000 ciclos de carga y descarga, su capacitancia y rendimiento permanecen inalterados. La segunda ventaja de los supercondensadores es su baja impedancia interna, a la que nos referimos como ESL y ESR. Esto significa que se cargan y descargan muy rápidamente; por ejemplo, pueden alimentar el flash de una cámara o la carga inicial de un circuito de alimentación. La tercera ventaja es que los supercondensadores pueden descargarse completamente hasta cero voltios, liberando toda la energía, mientras que las baterías de iones de litio solo pueden descargarse de 4,2 V a 3,3 V.

Wikipedia describe muy bien los condensadores y sus tipos. Es fundamental consultar con ingenieros experimentados y de aplicaciones para comprender los condensadores y sus diferencias. Vi una discusión sobre fábricas de PCB donde una planta de ensamblaje china convenció a sus ingenieros de reemplazar todos sus componentes pasivos con los de fabricantes chinos. Esta decisión fue increíblemente imprudente a menos que se dedique tiempo a identificar docenas de estas piezas y evaluar cómo cambia su rendimiento con el tiempo y la temperatura. Cuando un condensador falla o no puede mantener su capacitancia, el circuito se interrumpe, de forma similar a como se queman algunos circuitos integrados. Compre siempre condensadores a distribuidores de confianza, ya que su inventario consta de productos de alta calidad de fabricantes reconocidos.