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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL MENDOZA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA Capacitores PROF Tit: ING. ADOLFO F. GONZÁLEZ PROF Aso: ING. RUBÉN O. VICIOLI J. T P.: ING. GABRIEL SOSA Ayud. 1º ING. FEDERICO GRACIÁ 09 de agosto de 2017 CAPACIDAD Desde hace muchos años atrás, se utilizaba el concepto de almacenar cargas eléctricas, para luego ser entregadas en forma de pulsos breves e intensos de corriente. Fenómeno conocido como "capacidad", En 1747, experimentos en la universidad de Leyden, empleaban el almacenamiento de energía eléctrica, los que ellos llamaban "Jarra de Leyden", "condensador" o "capacitor", siendo este último término el más difundido actualmente. Un capacitor consiste básicamente de dos placas metálicas paralelas y separadas por un material dieléctrico. CAPACIDAD Cuando se aplica tensión entre sus caras, después de un cierto tiempo se carga, dependiendo dicha carga del valor de tensión y del tiempo que tardó. Q CxV Q C V Eléctricamente la "capacidad", está presente siempre, entre dos conductores adyacentes y en cualquier tipo de unión eléctrica, ya sea soldada o simplemente unida; de conductores entre sí, semiconductores entre sí o combinaciones de estos. εA C d CAPACIDAD εA C d C: Capacidad en Faradios. Ɛ: Permeabilidad del dieléctrico. A: Área de las placas en metros cuadrados. d: Distancia entre las placas en metros. La permeabilidad en el vacío o espacio libre esta dado por: 107 ε o Coulomb2 /Newton m 2 C es la velocidad de la luz 2 4π C C A 10 9 [Faradios] MKS 36 π d A C 8,854 picoFaradios(pF) d CAPACIDAD Si el dieléctrico es otro que el vacío ε k ε0 8,854 k A pF C d Esta fórmula es aceptable cuando A es muy grande con respecto a la distancia d. ENERGÍA La energía de las cargas es almacenada como energía electrostática en el dieléctrico y es igual a: 1 C V 2 Pav 2 t Pav : Es la potencia media en Vatios. C: Capacidad en Faradios. V: Tensión en Voltios. t: Tiempo de carga en segundos. Bajo condiciones de corriente alterna, la proporción de energía que es absorbida y luego devuelta por el capacitor al circuito es: Pav 2 π C V 2 f CIRCUITO EQUIVALENTE C: RS: L: RP: Capacidad. Resistencia en serie (terminales, placas e interfaces eléctricas). Inductancia (terminales, placas, etc.). Resistencia en paralelo (corriente de fuga, absorción del dieléctrico, resistencia de aislación). L, RS y RP varían enormemente de un tipo de capacitor a otro. L y la RS son importantes para altas frecuencias. RP normalmente expresada como aplicaciones en acoplamientos. resistencia de aislación para ECUACIÓN DIFERENCIAL Una expresión útil para comprender a la capacidad, es la ecuación diferencial que define la respuesta de un circuito eléctrico que contiene una tensión alterna V0, una resistencia R, una inductancia L y una capacidad C en serie: dq Q d 2q V0 R L dt C dt 2 1 di V0 i R idt L C dt La expresión familiar, para una reactancia capacitiva cuando se aplica una onda senoidal de corriente, realizando la integración sobre un cuarto de ciclo, se obtiene la reactancia XC en ohmios: XC 1 2π f C EXPRESIONES CARACTERÍSTICAS Dieléctrico: Habilidad para almacenar energía eléctrica. Este almacenamiento, se debe al desplazamiento relativo de su posición de equilibrio de las cargas positivas y negativas, tanto atómicas como moleculares. El único dieléctrico perfecto es el espacio libre. Permeabilidad Ɛ: Habilidad de un material dieléctrico, para retener cargas almacenadas. Permitividad relativa (constante k): Es la relación de la permeabilidad con la del espacio libre (Ɛ0) CARACTERÍSTICAS Material Constante dieléctrica Orgánico Inorgánico Vacuum Air Ruby mica Glass (flint) Barium titanate (class I) 1 (por definición) 1.0006 6.5 - 8.7 10 5 - 450 x x x x x Barium titanate (class II) 200 -12,000 x Kraft paper Mineral oil Caster oil Halowax Chlorinate diphenyl Polyisobutylene Polytetrafluoroethylene Polyethylene terephthalate Polystyrene Polycarbonate Aluminium oxide Tantalum pentoxide Niobium oxide Titanium dioxide ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ 2.6 2.23 4.7 5.2 5.3 2.2 2.1 x x x x x x x ≈ 3 x ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ x x 2.6 3.1 8.4 28 40 80 x x x x PÉRDIDAS Resistencia equivalente en serie (ESR): Puede definirse como la resistencia dinámica pura y total que opone un capacitor al pasaje de una corriente alterna. Incluye la resistencia continua de los terminales, la resistencia continua del material dieléctrico, la resistencia de las placas y la resistencia alterna en fase del dieléctrico a una frecuencia y temperatura determinada. PÉRDIDAS Resistencia de aislación (IR): Todo material dieléctrico usado en fabricación de capacitores deja pasar una cierta cantidad de corriente continua (corriente de pérdida o corriente de fuga). Esta corriente se especifica para una tensión aplicada sobre los extremos del capacitor dividida por la RP del mismo. Rigidez dieléctrica: Habilidad del dieléctrico de un capacitor para permanecer con la tensión continua aplicada sin que se produzca la ruptura (descarga por arco) Se especifica para una temperatura dada, en Volt / mm o Volt / mil (mil = milésima de pulgada). PÉRDIDAS Absorción del Dieléctrico: Podemos interpretar a la absorción del dieléctrico, como a aquellas cargas adicionales que absorbe el capacitor, luego de haber alcanzado la máxima tensión entre los bornes. Inversamente, un capacitor al ponerse en corto circuito se descarga, y a pesar de ello, continua drenando corriente por un cierto tiempo, donde también se pone de manifiesto la corriente absorbida por el dieléctrico. La absorción del dieléctrico es una consideración importante para circuitos de alta velocidad y en conmutación. Efecto corona: Se denomina efecto corona a la ionización del aire, vapor u otros gases, cuando conducen corriente. PRINCIPALES INFLUENCIAS Tensión: capacitores electrolíticos y ciertos cerámicos son afectados por el cambio en el valor y la polaridad de la tensión aplicada. Esto se debe a la estructura del dieléctrico. Temperatura: cuando cambia la temperatura ambiente cambia la constante dieléctrica, por lo tanto cambia el valor de la capacidad. Frecuencia: Este factor muchas veces no es tenido en cuenta por el diseñador. Como se observó en el circuito equivalente en un capacitor hay asociada una inductancia, obviamente hay implícita una frecuencia de resonancia, que depende del tipo de capacitor, de la geometría de los electrodos y de la longitud de sus terminales. RANGO DE CAPACIDAD CAPACITORES EN CC y CA Un capacitor diseñado para CC, no es adecuado para hacerlo trabajar en CA arriba de los 200V, porque ocurren descargas internas, haciendo burbujear gas. Un capacitor diseñado para CA, se fabrica para que esté libre de descargas internas y con pequeño ángulo de pérdidas, para minimizar el calentamiento interno. MÁXIMA TENSIÓN CONTINUA RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO TENSIONES Tensión de prueba Es la mayor tensión que se puede aplicar al capacitor, sin destruirlo durante las pruebas de calificación que hace el fabricante. La aplicación reiterada de esta tensión degrada al capacitor y puede destruirlo. Tensión de formación (para electrolíticos de Aluminio): Es la tensión a la que el óxido anódico ha sido formado en fábrica. El espesor de la película de óxido es proporcional a esta tensión. Tensión de fundido (para tipos metalizados): Es la tensión aplicada durante la fabricación de los capacitores metalizados a la cual funden. CLASIFICACIÓN DE LOS CAPACITORES Capacidades distribuidas: Son las capacidades que se presentan en todo circuito donde se encuentran conductores a distinto potencial separados por un medio dieléctrico. Estas son en general indeseadas y se estiman entre 5 y 20 pF. Capacidades mayores pueden ser sumamente indeseables. Capacidades concentradas: Estas son fabricadas como tales y cuyo valor se conocen dentro de la tolerancia especificada por el fabricante, se clasifican en: FIJOS: mica; plásticos; cerámicos; papel; electrolíticos. AJUSTABLES: (semifijos): aire; mica; cerámica; vidrio. VARIABLES: aire; mica cerámico; vidrio. CAPACITORES FIJOS Capacitores de baja pérdidas y buena estabilidad de la capacidad, entre los cuales se encuentran la mica, el vidrio, los cerámicos NPO y los plásticos de bajas pérdidas como el poliestireno. Capacitores de pérdidas medias y estabilidad media requeridas para trabajar en un amplio rango de tensiones de alterna y continua. Dentro de este grupo encontramos al papel, a los cerámicos de alto K y a los de película plástica. Capacitores de alto rendimiento volumétrico: estos son los electrolíticos, los cuales pueden ser de aluminio o de tantalio. Ambos presentan una película de óxido anódico extremadamente delgada. CAPACITORES DE MICA Son los mejores capacitores considerando todas sus propiedades, exceptuando a los de vidrio y porcelana. Las ventajas de la mica son: • Bajas pérdidas dieléctricas. • Tensiones de trabajo elevadas. • Bajo factor de potencia. • Muy baja autoinducción. • Pueden ser usadas en temperaturas mayores a 500ºC. Se fabrican apilando placas de hoja de aluminio y láminas delgadas de mica en capas alternadas conectadas entre sí. Todo el condensador formado por las placas, el dieléctrico y las conexiones a los terminales se encierra en un molde de baquelita para evitar la penetración de la humedad y dar rigidez mecánica al conjunto. CAPACITORES DEMICA Se usan como compensadores del coeficiente térmico de otros componentes de un circuito. Por ejemplo, en el caso de un oscilador de precisión, el corrimiento de frecuencia por efecto térmico debe ser mínimo por lo cual se usan capacitores de mica para compensar los coeficientes térmicos de las bobinas. CAPACITORES DE MICA PLATEADA Las hojas de metal se reemplazan por una película metálica depositada por vaporización de plata sobre las láminas de mica y soldadas estas láminas metálicas a los terminales a alta temperatura. Las ventajas son: • La tolerancia nominal es menor a los de mica laminada. Se obtienen del orden de ±5 % a ±0,5 %. •El coeficiente térmico en muy bajo. •Mayor estabilidad con el tiempo. •Mayores temperaturas tolerables. •Tamaño físico más reducido. •Más estables en ambientes de gran humedad. Se emplean en altas frecuencias donde se necesita un valor de capacidad pequeña y un factor de disipación reducido. Como aplicaciones pueden citarse la sintonía de osciladores y los filtros. CAPACITORES DE VIDRIO Y PORCELANA Referente a estos capacitores, cuyas características en general son superiores a la mica, en el rango de –55 a +155 ºC, no se ofrecen en el tipo comercial (Normas EIA), solamente en Normas MIL. DIELÉCTRICO DE PAPEL Se fabrican arrollando dos hojas de papel y dos láminas muy delgadas de aluminio, o bien metalizando el papel con aluminio o cinc para realizar los de película. El arrollamiento se efectúa en máquinas especiales con un número determinado de vueltas para obtener la capacidad deseada. PAPEL METALIZADO Consiste en el depósito por vaporización de metales como cinc o aluminio sobre la cinta de papel La cinta de papel es enrollada pare obtener el valor capacitivo deseado. Tiene la ventaja de tener mayor rendimiento volumétrico que el anterior para bajas tensiones. Tiene la desventaja de auto curarse. En consecuencia estos capacitores no son útiles en aplicaciones de corriente alterna donde existen altas corrientes, debido a la baja capacidad de manejo de potencia que poseen. Están especificados para usarse en corriente continua (Filtros). Cuando hay presente una corriente alterna, se puede calcular la tensión como la suma de la corriente continua más la tensión pico de lo corriente alterna. DIELÉCTRICO DE PAPEL Y LÁMINA CONDUCTORA Está formado por dos delgadas cintas de aluminio aisladas entre sí por una delgada hoja de papel Kraft. Impregnado para mejorar sus características y enrollados en espiral para obtener el valor de capacidad deseada. Las cintas de papel y aluminio alcanzan varios metros. El conjunto se encierra en una cápsula de metal, plástico o vidrio, cerrada con parafina para evitar la entrada de humedad. APLICACIONES Acople y desacople de circuitos electrónicos de baja tensión. Filtros de alta tensión continua. Almacenadores de energía. Arrancadores de motores. Correctores del factor de potencia. Los de papel metalizado son usados para acople y desacople en donde el tamaño es un elemento importante. DIELÉCTRICO DE PLÁSTICO La cinta de papel se reemplaza por una delgada capa de material sintético. Se caracteriza por su baja porosidad, bajo contenido de humedad, alta rigidez dieléctrica y características de temperatura predecibles. Poseen mayor resistencia de aislación que los de papel Los materiales plásticos usados como dieléctricos son: Poliestireno. Poliéster. Polipropileno. Polietileno. Poliamida. Policarbonato. Politetrafluoretileno (Teflón). CERÁMICOS Se obtienen: Metalizando las superficies cerámicas con una suspensión de óxido de plata. Sumergiendo en éstas las piezas cerámicas, protegidas donde sea necesario por mascaras. Por pulverización de los metales fundidos. Tienen un amplio rango de características eléctricas, por lo cual, son los materiales dieléctricos para capacitores más versátil y con constantes dieléctricas K que oscilan entre 6 y 10.000. Clase I, Se los clasifica en 3 grandes grupos: Clase II Clase III CLASE I Normalmente emplean como base: Dióxido de Titanio Titanato de Calcio (tempco negativo) Titanato de Calcio con adición de Magnesio (tempco positivo) Titanato de Bario y de Estroncio para obtener determinadas características El hecho de que la cerámica sea un material no ferro eléctrico nos da el primer factor de estabilidad del capacitor fabricado con este material. Hay que evitar la más mínima impureza en el Dióxido de Titanio, pues estas reducen enormemente el Q y la resistencia de aislación. Aplicaciones: Compensaciones de temperatura Acople y desacople entre etapas de alta frecuencia Circuitos resonantes Otras aplicaciones donde el alto Q y la estabilidad son esenciales CLASE II Material base el Titanato de Bario Compuestos tales como el Titanato de Estroncio, Titanato de Calcio, de Zirconio y Niobio reaccionan con el Titanato de Bario modificando las propiedades del dieléctrico. El Titanio de Bario tiene propiedades ferroeléctricas Usos Donde la importante miniaturización es Donde un alto Q y la estabilidad en frecuencia son necesarios Está dividida en 2 subgrupos: Filtros Desacople en radiofrecuencia Acople ínter etapa Estables Inestables CLASE II Estables K entre 250 y 2.400 Alinealidad de las características definida sobre un rango de -60 a +125ºC. Cambio máximo en la capacidad de un 15% desde el valor a 25ºC. Inestables (alto k) Rango de la constante dieléctrica desde 3.000 a 10.000. Exhiben severos cambios de la capacidad sobre el rango -55 a +85ºC o menos. CLASE III Capacitores de doble capa eléctrica de contacto entre metal y semiconductor (el proceso llamado barrier layer). Los discos cerámicos son tratados con calor en una atmósfera reducida, de modo que la resistividad decrementa a cerca de 10 ohmios x cm. Los electrodos de plata son aplicados a las caras Los electrodos de plata son aplicados a las caras RESUMEN Tipo de Cerámica Atributo Constante dieléctrica k a 25 ºC Clase I Clase II Estable Inestable 6 - 500 250 - 2400 3000 - 10000 -55 a +125 -55 a +125 +10 a +85 Clase III 900 - 5100 (antes de la reducción) -55 a +80 Rango Operativo de Temperatura (ºC) Coeficiente de variación de la capacitancia con la Temp. (ppm/ºC) Factor de disipación a 25 ºC (%) P150 a N5600 0,001 - 0,4 0,4 - 1,0 1,0 - 4,0 4-8 -15 a 3V -85 a 10 V Máximo cambio de la capacidad, 25 - 55 ºC (%) - +2, -8 +0, -90 -71 a 12V -75 a 25V Máximo cambio de la capacidad, 25 ºC hasta máx. rango de temperatura (%) - Aging por década de tiempo (%) - +2, -10(125ºC) +0, -60(90ºC) -29 +13 +17, -60 +50 a 30V a 3 V (80ºC) a 10V (80ºC) a 12V (80ºC) +4, -30 a 25V (80ºC) 0.5 0.8 – 2.8 2.5 – 8.0 Uso Circuitos sintonizados, alta Acoplamiento, frecuencia (microondas), temporizado. alto Q Características Capacitor ultra estable con Tamaño pequeño. Amplio respecto a la temperatura, rango de características, Alta eficiencia dc y ac, frecuencia y tiempo. bajo costo. Amplio rango volumétrica Alto Q. Amplio rango de de temperatura. temperatura. Desventajas Gran tamaño y costo. Efectos piezoeléctricos. Paso, filtrado. a 30V (80ºC) 1-6 Acoplamiento de bajo voltaje y paso en circuitos con transistores ( 3 a 50V) Grandes capacidades, Alta eficiencia volumétrica, bajo costo. Rango de temperatura Baja resistencia de fuga. limitado (usualmente de Alta sensibilidad a la 0 a 65ºC). Efectos tensión. piezoeléctricos FABRICACIÓN CARACTERÍSTICAS Variación de la capacidad Temperatura, Vcc, Vac y la frecuencia. Coeficiente de temperatura, (TC), (Tempco) La relación capacidad y temperatura no es lineal. Prefijo N es para los TC negativo P para los TC positivos. En ambos casos para temperaturas de 25 ºC en adelante ya que para valores menores cambia de signo. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS Efectos de la tensión CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS Cambio de la Capacidad por la Frecuencia Los efectos de la frecuencia son considerables con el valor de la capacidad, el formato geométrico y la longitud de los terminales. CARACTERÍSTICAS Factor de Disipación (DF) Raramente afecta al circuito, excepto en aplicaciones que requieren alto Q, donde se usan los de clase I. En los de clase II el DF, a temperatura ambiente, varía típicamente entre el 1% y el 4%. Es usado como una guía de fábrica, para los distintos lotes ya que indica que la cerámica es consistente y que la construcción de los electrodos no es defectuosa. Puede revelar contaminación, soldaduras frías, electrodos partidos, terminales mal unidos, etc. CARACTERÍSTICAS El Q de los Capacitores Cerámicos Varía considerablemente de acuerdo con la clase de cerámica CARACTERÍSTICAS Resistencia de Aislación Consiste en la combinación de resistencia de superficie (que es sensible a la contaminación superficial), humedad y absorción de gas, resistencia de fuga del dieléctrico y los electrodos. En la práctica es común expresar a la resistencia de aislación al producto de microfaradios y Megohmios o sea en segundos. A mayor superficie del capacitor la resistencia de fuga es menor. Para baja capacidades, será menor la resistencia de fuga y entonces se hace con muchas láminas delgadas de dieléctrico. Varía enormemente para las distintas composiciones cerámicas La resistencia de fuga se degrada con el incremento de la temperatura CARACTERÍSTICAS Efecto de magnetización y desmagnetización de los capacitores cerámicos A nivel internacional se las conoce como "aging y deaging effect" Describe el cambio del dieléctrico con el tiempo y es igual al logaritmo (decimal) de la constante k con el tiempo. Clase I, son de dieléctrico no ferro eléctrico por lo tanto no exhiben este efecto. Clase II, presentan un significativo efecto aging, característica debida a varias causas: Transformación de los cristales de Titanato de Bario c /temperatura (< Crie). Tensión continua. Cada vez que el capacitor es calentado por encima del punto Curie todo lo negativo de la constante dieléctrica se recupera, esto es el efecto deaging. Muchos capacitores cerámicos de Titanato de Bario quedan completamente desmagnetizados a 150 ºC. CAPACITORES ELECTROLÍTICOS Muchos filtros de baja frecuencia, temporizadores de tiempos grandes, acoplamiento y desacoplamiento, de by pass (circuitos auto polarizados) requieren de grandes capacidades y pequeño volumen. Capacitores de más alto rendimiento volumétrico, y de menor costo por microfaradio. El material dieléctrico de un capacitor electrolítico consiste en la formación de un óxido de material anódico (siendo el anodizado un proceso electrolítico), con lo cual es el electrodo positivo del capacitor. Los metales más empleados son el Aluminio y el Tantalio CAPACITORES ELECTROLÍTICOS Cuando se usa el Aluminio, el dieléctrico es un óxido de combinación cristalina y amorfa (gamma) cuya fórmula básica es Al2 O5. Cuando se usa Tantalio, el óxido es Ta2 O5 (pentóxido). POLARIZACIÓN Polarizados: Esta es la configuración más común y tiene una película de óxido formada solamente en una de las placas llamada ánodo o terminal positivo. Las aplicaciones para este tipo de capacitor es en circuitos de continua (potencial unidireccional), con un máximo de riple especificado. Semi polarizados: Similar al anterior, excepto que en el cátodo se le ha formado una película delgada para minimizar el efecto de la tensión inversa. Estos capacitores se usan en circuitos donde se especifica un potencial de continua que puede cambiar de polaridad por ciertos períodos de tiempo. No polarizados Tiene igual espesor de película de óxido en ánodo y cátodo, lo que lo hace útil en alterna. Frecuencia baja, caso contrario hace aumentar la temperatura debido al factor de potencia y la corriente de fuga. El valor de alterna debe ser menor al de continua, con excepción de ciertos tipos de hoja de Tantalio. TIPOS DE ELECTROLÍTO Se producen en dos estilos básicos: Secos Húmedos El ánodo sinterizado o estilo esferoide con electrolito húmedo o seco se usa exclusivamente en los de Tantalio. El estilo lámina también incluye a los de Aluminio con electrolito húmedo, seco o en pasta. Los de lámina tienen mayores características de capacidad, temperatura, pero tienen una significativa disminución del rendimiento volumétrico. Los de Tantalio esferoide y los de Aluminio de láminas húmedos son fabricados con alta capacidad por unidad de volumen y se caracterizan por su baja resistencia equivalente serie (ESR). CARACTERÍSTICAS Tensión Nominal CARACTERÍSTICAS Riple La limitación de tensión especificada por los fabricantes puede calcularse de la siguiente forma: 1 - La suma de la tensión pico alterna de riple y la tensión continua aplicada no debe exceder el límite de tensión continua nominal especificada. 2 - La suma del pico del hemicidio negativo de la tensión alterna de riple y la tensión continua aplicada no deberá exceder a la máxima tensión inversa especificada. 3 - El valor eficaz a 120 Hz de la tensión suma de los ítem 1 y 2 debe ser igual o menor que el valor eficaz obtenido de multiplicar la máxima corriente de riple especificada por la resistencia equivalente serie especificada. CARACTERÍSTICAS Corriente nominal Tienen un máximo admisible de carga y descarga de corriente nominal. Excesiva corriente puede causar quemaduras internas de las placas o posible rotura. Corriente de pérdida o fuga Es la corriente continua que circula a través del condensador. La magnitud de esta corriente función de: Materiales usados y de su pureza Tensión aplicada Espesor de la película de óxido Área de las láminas Resistividad del electrolito Temperatura de trabajo ALUMINIO TANTALIO Capacitores de Tantalio de láminas Capacitores de tantalio húmedos de ánodo sinterizado Capacitores de tantalio sólido de ánodo sinterizado FABRICACIÓN FABRICACIÓN