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Fundamentos: Comprender las características de los tipos de condensadores para utilizarlos de manera apropiada y segura

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Los capacitores son dispositivos de almacenamiento de energía que son esenciales para los circuitos electrónicos tanto analógicos como digitales. Se utilizan en la sincronización, para la creación y formación de formas de onda, el bloqueo de la corriente continua y el acoplamiento de señales de corriente alterna, el filtrado y el suavizado y, por supuesto, el almacenamiento de energía. Debido a la amplia gama de usos, ha surgido una abundancia de tipos de capacitores que utilizan diversos materiales de placas, dieléctricos aislantes y formas físicas. Cada uno de estos tipos de capacitores está destinado a una gama específica de aplicaciones. La amplia variedad de opciones significa que puede llevar tiempo clasificarlas todas para encontrar la opción óptima para un diseño en términos de características de rendimiento, fiabilidad, vida útil, estabilidad y costo.
Es necesario conocer las características de cada tipo de capacitor para que éste se ajuste adecuadamente a la aplicación del circuito previsto. Este conocimiento debe cubrir las características eléctricas, físicas y económicas de los capacitores.
Este artículo describirá los diversos tipos de capacitores, sus características y los criterios clave para su selección. Los ejemplos de Murata ElectronicsKEMETCornell Dubilier ElectronicsPanasonic Electronics Corporation, y AVX Corporation se utilizarán para ilustrar las diferencias y atributos clave.

¿Qué es un capacitor?

El capacitor es un dispositivo electrónico que almacena energía en un campo eléctrico interno. Es un componente electrónico pasivo básico junto con resistencias e inductores. Todos los capacitores consisten en la misma estructura básica, dos placas conductoras separadas por un aislante, llamado dieléctrico, que puede ser polarizado con la aplicación de un campo eléctrico (Figura 1). La capacidad es proporcional al área de la placa, A, e inversamente proporcional a la distancia entre las placas, d.

Figura 1: El capacitor básico consiste en dos placas conductoras separadas por un dieléctrico no conductor que almacena energía como regiones polarizadas en el campo eléctrico entre las dos placas. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)
El primer capacitor fue la jarra de Leyden, desarrollada en 1745. Comprendía un frasco de vidrio forrado con una lámina metálica en las superficies interior y exterior y se usaba originalmente para almacenar cargas eléctricas estáticas. Benjamín Franklin usó uno para probar que los rayos eran electricidad, lo que se convirtió en una de las primeras aplicaciones registradas.
La capacitancia del capacitor básico de placa paralela se puede calcular utilizando la Ecuación 1:
Ecuación 1 Ecuación 1
Donde:
C es la capacitancia en Farads
A es el área de la placa en metros cuadrados
d es la distancia entre las placas en metros
ε es la permitividad del material dieléctrico
ε es igual a la permitividad relativa del dieléctrico, εr, multiplicada por la permitividad del vacío, ε0. La permitividad relativa, εr, se suele denominar constante dieléctrica, k.
Según la ecuación 1, la capacidad es directamente proporcional a la constante dieléctrica y al área de las placas, e inversamente proporcional a la distancia entre las placas. Para aumentar la capacitancia, se puede aumentar el área de las placas y disminuir la distancia entre ellas. Dado que la permitividad relativa de un vacío es 1, y todos los dieléctricos tienen una permitividad relativa mayor que 1, la inserción de un dieléctrico también aumentará la capacitancia de un condensador. Los condensadores se denominan generalmente por el tipo de material dieléctrico utilizado (cuadro 1).

Cuadro de características de los tipos de condensadores comunes

Tabla 1: Características de los tipos de condensadores comunes, ordenados por material dieléctrico. (Fuente de la tabla: Digi-Key Electronics)

Algunas notas en las entradas de la columna:

  • La permitividad relativa o constante dieléctrica de un capacitor afecta al valor máximo de capacitancia alcanzable para una determinada área de la placa y el espesor del dieléctrico.
  • La fuerza dieléctrica es una clasificación de la resistencia del dieléctrico a la ruptura de voltaje en función de su grosor.
  • El mínimo espesor dieléctrico alcanzable afecta a la máxima capacitancia que se puede realizar, así como al voltaje de ruptura del capacitor.

Construcción del capacitor

Los capacitores están disponibles en una variedad de configuraciones de montaje físico, incluyendo montaje axial, radial y de superficie (Figura 2).

El diagrama de los tipos de configuración de los capacitores incluye montaje axial, radial y de superficie

Figura 2: Montaje del capacitor, o los tipos de configuración incluyen montaje axial, radial y de superficie. El montaje en la superficie es muy utilizado en este momento. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La construcción axial se basa en capas alternas de láminas metálicas y dieléctricas, o un dieléctrico metalizado por ambos lados enrollado en forma cilíndrica. Las conexiones a las placas conductoras pueden ser a través de una lengüeta insertada o una tapa final conductora circular.
El tipo radial suele consistir en capas alternas de metal y dieléctricas. Las capas de metal están unidas en los extremos. Las configuraciones radiales y axiales están pensadas para ser montadas a través de agujeros.
Los capacitores de montaje en superficie también dependen de capas conductoras y dieléctricas alternas. Las capas metálicas de cada extremo están unidas por un tapón de soldadura para el montaje en superficie.

Modelo de circuito de capacitores

El modelo de circuito para un condensador incluye los tres elementos de circuito pasivos (Figura 3).

El diagrama del modelo de circuito para un capacitor consiste en los elementos capacitivos, inductivos y resistivos

Figura 3: El modelo de circuito para un capacitor consiste en los elementos capacitivos, inductivos y resistivos. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El modelo de circuito de un capacitor consiste en un elemento resistivo en serie que representa la resistencia óhmica de los elementos conductores junto con la resistencia dieléctrica. Esto se llama la equivalente, o efectiva, resistencia en serie (ESR).
Los efectos dieléctricos se producen cuando se aplican señales de CA al capacitor. Los voltajes de CA hacen que la polarización del dieléctrico cambie en cada ciclo, provocando un calentamiento interno. El calentamiento del dieléctrico es una función del material y se mide como el factor de disipación del dieléctrico. El factor de disipación (DF) es una función de la capacidad del condensador y de la ESR, y puede ser calculado usando la Ecuación 2:
Ecuación 2Ecuación 2
Donde:
XC es la reactancia capacitiva en ohmios (Ω)
ESR es la resistencia en serie equivalente (en Ω)
El factor de disipación depende de la frecuencia debido al término de la reactancia capacitiva y es adimensional, a menudo expresado como un porcentaje. Un menor factor de disipación da lugar a un menor calentamiento y, por tanto, a una menor pérdida.
Existe un elemento inductivo en serie, llamado inductancia en serie efectiva o equivalente (ESL). Esto representa la inducción del plomo y de la vía conductiva. La inductancia y la capacitancia en serie dan lugar a una resonancia en serie. Por debajo de la frecuencia de resonancia de la serie, el dispositivo exhibe principalmente un comportamiento capacitivo, por encima de ella, el dispositivo es más inductivo. Esta inductancia en serie puede ser problemática en muchas aplicaciones de alta frecuencia. Los proveedores minimizan la inductancia utilizando la construcción en capas que se muestra en las configuraciones de los componentes de montaje radial y de superficie.
La resistencia paralela representa la resistencia de aislamiento del dieléctrico. Los valores de los diversos componentes del modelo dependen de la configuración del condensador y de los materiales seleccionados para su construcción.

Capacitores de cerámica

Estos capacitores utilizan un dieléctrico cerámico. Hay dos clases de capacitores cerámicos, Clase 1 y Clase 2. La clase 1 se basa en cerámicas para-eléctricas como el dióxido de titanio. Los capacitores cerámicos de esta clase tienen un alto nivel de estabilidad, buen coeficiente de temperatura de capacitancia y bajas pérdidas. Debido a su inherente precisión, se utilizan en osciladores, filtros y otras aplicaciones de radiofrecuencia.
Los capacitores cerámicos de clase 2 utilizan un dieléctrico cerámico basado en materiales ferroeléctricos como el titanato de bario. Debido a la alta constante dieléctrica de estos materiales, los capacitores de cerámica de la Clase 2 ofrecen una mayor capacitancia por unidad de volumen, pero tienen una menor precisión y estabilidad que los condensadores de la Clase 1. Se utilizan para aplicaciones de derivación y acoplamiento en las que el valor absoluto de la capacidad no es crítico.
GCM1885C2A101JA16 de Murata Electronics es un ejemplo de un condensador cerámico (Figura 4). El capacitor de clase 1 100 picoFarad (pF) tiene una tolerancia del 5%, está clasificado a 100 voltios, y viene en una configuración de montaje en superficie. Este condensador está destinado al uso en automoción con una temperatura de -55° a +125° C.

Imagen del capacitor cerámico de montaje superficial de clase 1, 100 pF de la serie GCM1885C2A101JA16 de Murata

Figura 4: El GCM1885C2A101JA16 es un capacitor de montaje superficial de cerámica de clase 1, 100 pF con una tolerancia del 5% y una capacidad de 100 voltios. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Capacitores de película

Los capacitores de película utilizan una fina película de plástico como dieléctrico. Las placas conductoras pueden ser implementadas como capas de lámina o como dos capas delgadas de metalización, una a cada lado de la película plástica. El plástico utilizado para el dieléctrico determina las características de los capacitores. Los capacitores de película vienen en muchas formas:
Polipropileno (PP): Estos tienen una tolerancia y estabilidad particularmente buena con bajos índices de ESR y ESL y altos índices de averías de voltaje. Debido a los límites de temperatura del dieléctrico, solo están disponibles como dispositivos con plomo. Los capacitores PP encuentran aplicaciones en circuitos donde se encuentran alta potencia o alto voltaje como fuentes de alimentación de modo conmutada, circuitos de balasto, circuitos de descarga de alta frecuencia, y en sistemas de audio donde su baja ESR y ESL son apreciados para propósitos de integridad de la señal.
Tereftalato de polietileno (PET): También llamados capacitores de poliéster o mylar, estos condensadores son los más eficientes volumétricamente de los condensadores de película debido a su mayor constante dieléctrica. Generalmente se aplican como dispositivos de plomo radiales. Se utilizan para aplicaciones capacitivas de propósito general.
Sulfuro de polifenileno (PPS): Estos capacitores se fabrican solo como dispositivos de película metalizada. Tienen una estabilidad de temperatura particularmente buena y por eso se aplican en circuitos que requieren una buena estabilidad de frecuencia.
Un ejemplo de capacitor de película PPS es el ECH-U1H101JX5 de Panasonic Electronics Corporation. El dispositivo de 100 pF tiene una tolerancia del 5%, está clasificado a 50 voltios, y viene en una configuración de montaje en superficie. Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -55° a 125 °C y está destinado a aplicaciones electrónicas generales.
Neftalato de polietileno (PEN): Al igual que los condensadores PPS, sólo están disponibles en un diseño de película metalizada. Tienen una alta tolerancia a la temperatura y están disponibles en configuración de montaje superficial. Las aplicaciones se centran en aquellas que requieren un rendimiento de alta temperatura y alto voltaje.
Los condensadores de politetrafluoroetileno (PTFE) o teflón se caracterizan por su alta temperatura y tolerancia al alto voltaje. Se fabrican tanto en construcción metalizada como en lámina. Los condensadores de PTFE encuentran sobre todo aplicaciones que requieren una exposición a altas temperaturas.

Capacitores electrolíticos

Los capacitores electrolíticos son notables por sus altos valores de capacitancia y su gran eficiencia volumétrica. Esto se logra usando un electrolito líquido como una de sus placas. Un condensador electrolítico de aluminio comprende cuatro capas separadas: un cátodo de papel de aluminio; un separador de papel empapado de electrolitos; un ánodo de aluminio que ha sido tratado químicamente para formar una capa muy fina de óxido de aluminio; y finalmente, otro separador de papel. Este conjunto es luego enrollado y colocado en una lata metálica sellada.
Los capacitores electrolíticos son dispositivos de corriente continua (CC) polarizados, lo que significa que el voltaje aplicado debe aplicarse a los terminales positivos y negativos especificados. Si no se conecta correctamente el condensador electrolítico, puede producirse un fallo explosivo, aunque las cajas tienen diafragmas de alivio de la presión para gestionar la reacción y minimizar el potencial de daños.
Las principales ventajas del capacitor electrolítico son los altos valores de capacidad, el pequeño tamaño y el costo relativamente bajo. Los valores de capacidad tienen un amplio rango de tolerancia y corrientes de fuga relativamente altas. Las aplicaciones más comunes de los condensadores electrolíticos son como condensadores de filtro tanto en fuentes de alimentación lineales como de conmutación (Figura 5).

Imagen de ejemplos de condensadores electrolíticos de 10 µFFigura 5: Ejemplos de condensadores electrolíticos; todos tienen una capacidad de 10 microfaradios (µF). (Fuente de la imagen: Kemet y AVX Corp.)

Refiriéndose a la Figura 5 y moviéndose de izquierda a derecha, el ESK106M063AC3FA de Kemet es un capacitor electrolítico de aluminio de 10 µF, 20%, 63 voltios, con plomo radial. Puede funcionar a temperaturas de hasta 85 °C y tiene una vida útil de 2000 horas. Está destinado a aplicaciones electrolíticas de uso general, incluyendo operaciones de filtrado, desacoplamiento y bypass.
Una alternativa al capacitor electrolítico de aluminio es el capacitor de polímero de aluminio que reemplaza el electrolito líquido por un electrolito de polímero sólido. El capacitor de aluminio polimérico tiene menor ESR que el electrolítico de aluminio y una mayor vida útil. Como todos los capacitores electrolíticos, están polarizados y encuentran aplicación en las fuentes de alimentación como capacitores de filtro y desacoplamiento.
El A758BG106M1EDAE070 de Kemet es un capacitor de polímero de aluminio de 10 µF, 25 voltios, de plomo radialmente, con una mayor vida útil y una mayor estabilidad en un amplio rango de temperaturas. Está destinado a aplicaciones industriales y comerciales, como cargadores de teléfonos móviles y electrónica médica.
Los capacitores de tántalo son otra forma de capacitor electrolítico. En este caso, se forma químicamente una capa de óxido de tántalo sobre la lámina de tántalo. Su eficiencia volumétrica es mejor que la de un electrolítico de aluminio, pero los niveles máximos de voltaje son generalmente más bajos. Los capacitores de tántalo tienen una menor ESR y una mayor tolerancia a la temperatura que los electrolíticos de aluminio, lo que significa que pueden soportar mejor el proceso de soldadura.
El T350E106K016AT de Kemet es un capacitor de tántalo de plomo radial de 10 µF, 10%, 16 voltios. Ofrece las ventajas de un tamaño pequeño, bajas fugas y bajo factor de disipación para aplicaciones de filtrado, derivación, acoplamiento de CA y temporización.
El último tipo de capacitor electrolítico es el electrolítico de óxido de niobio. Desarrollado durante una escasez de tántalo, el capacitor electrolítico de niobio reemplaza al tántalo con niobio y pentóxido de niobio como electrolito. Debido a su mayor constante dieléctrica, ofrece un tamaño de paquete más pequeño por unidad de capacidad.
Un ejemplo de electrolítico de óxido de niobio es el NOJB106M010RWJ de AVX Corp. Se trata de un capacitor de 10 µF, 20%, 10 voltios en una configuración de montaje superficial. Como el electrolítico de tántalo, se utiliza para aplicaciones de filtrado, derivación y acoplamiento de CA.

Capacitores Mica

Los capacitores Mica (mayormente mica plateada) se caracterizan por una estrecha tolerancia de capacitancia (±1%), un bajo coeficiente de temperatura de capacitancia (típicamente 50 ppm/°C), un factor de disipación excepcionalmente bajo y una baja variación de capacitancia con el voltaje aplicado. La estrecha tolerancia y la alta estabilidad los hacen adecuados para los circuitos de radiofrecuencia. El dieléctrico de mica está plateado por ambos lados para proporcionar las superficies conductoras. La mica es un mineral estable que no interactúa con los contaminantes electrónicos más comunes.
El MC12FD101J-F de Cornell Dubilier Electronics es un capacitor Mica de 100 pF, 5%, 500 voltios, en una configuración de montaje superficial (Figura 6). Se utiliza en aplicaciones de radiofrecuencia como resonancias magnéticas, radios móviles, amplificadores de potencia y osciladores. Su temperatura está clasificada para operar en el rango de -55° a 125 °C.

Imagen de MC12FD101J-F de Cornell Dubilier Electronics que es un capacitor Mica de montaje superficial

Figura 6: El MC12FD101J-F de Cornell Dubilier Electronics es un capacitor Mica de montaje superficial destinado a aplicaciones de RF. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier Electronics)

Conclusión:

Los capacitores son un componente esencial en el diseño de la electrónica. A lo largo de los años se ha desarrollado una amplia gama de tipos de dispositivos con diversas características que hacen que algunas tecnologías de capacitores sean particularmente adecuadas para aplicaciones específicas. Para los diseñadores, adquirir un buen conocimiento práctico de los diversos tipos, configuraciones y especificaciones es un esfuerzo que vale la pena para asegurar la elección óptima para una aplicación determinada.