Capacitor Es

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL MENDOZA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

CAPACITORES

PARTE I

PROFESOR TITULAR: ING. ADOLFO F. GONZÁLEZ PROFESOR ADJUNTO: ING. RICARDO M. CESARI AYUDANTE TRABAJOS PRÁCTICOS: ING. RUBÉN O. VICIOLI

2004

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N.

ÍNDICE

DEFINICIÓN __________________________________________________________________________ 5

Energía ____________________________________________________________________________ 6

Circuito Equivalente___________________________________________________________________ 7

DEFINICIÓN DE TÉRMINOS _____________________________________________________________ 7

Dieléctrico - Distintos tipos _____________________________________________________________ 7

Permitividad relativa (constante k)________________________________________________________ 8

Expresiones que se pueden usar en aplicación y definición de capacitores ________________________ 8

CARACTERÍSTICAS DE LOS CAPACITORES ______________________________________________ 10

Perdidas en el capacitor ______________________________________________________________ 10

Resistencia equivalente en serie (ESR) __________________________________________________ 11

Resistencia de aislación (IR) ___________________________________________________________ 11

Rigidez dieléctrica ___________________________________________________________________ 13

Absorción del Dieléctrico ______________________________________________________________ 13

Efecto corona ______________________________________________________________________ 13

Influencias sobre el capacitor __________________________________________________________ 14

Rango de capacidad para diferentes dieléctricos ___________________________________________ 16

Máxima tensión continua de diferentes capacitores _________________________________________ 16

Capacitores en CC y en CA____________________________________________________________ 17

Rendimiento volumétrico ______________________________________________________________ 17

Tensión de prueba___________________________________________________________________ 17

Tensión de formación (para electrolíticos de Al) ____________________________________________ 17

Tensión de fundido (para tipos metalizados)_______________________________________________ 18

Fallas por Auto curado (para los tipos metalizados) _________________________________________ 18

Descargas internas __________________________________________________________________ 18

Geometría del capacitor ______________________________________________________________ 18

CLASIFICACIÓN DE LOS CAPACITORES _________________________________________________ 18

Capacidades distribuidas______________________________________________________________ 18

Capacidades concentradas ____________________________________________________________ 18

CAPACITORES DE MICA_______________________________________________________________ 19

Capacitores de Mica Plateada__________________________________________________________ 20

Formas de codificación de los capacitores de Mica _________________________________________ 20

Factor de disipación (DF) _____________________________________________________________ 22

- 2 -


Resistencia de aislación ______________________________________________________________ 23

Corriente límite de utilización___________________________________________________________ 23

Códigos de colores para capacitores de mica moldeada _____________________________________ 24

Capacitores de Mica tipo botón _________________________________________________________ 25

Característica de temperatura para capacitores de Mica _____________________________________ 25

CAPACITORES DE VIDRIO Y PORCELANA________________________________________________ 26

CAPACITORES DE DIELÉCTRICO DE PAPEL______________________________________________ 26

Capacitores de papel y lámina conductora ________________________________________________ 27

Capacitor de papel metalizado _________________________________________________________ 28

Aplicaciones _______________________________________________________________________ 29

CAPACITORES DE DIELÉCTRICO DE PLÁSTICO___________________________________________ 30

Poliestireno ________________________________________________________________________ 30

Características: ___________________________________________________________________ 30

Poliéster___________________________________________________________________________ 31


Polipropileno _______________________________________________________________________ 31


Polietileno _________________________________________________________________________ 32


Poliamida__________________________________________________________________________ 32


Policarbonato_______________________________________________________________________ 32


Politetrafluoretileno (Teflón)____________________________________________________________ 33


CAPACITORES CERÁMICOS ___________________________________________________________ 35

Cerámicos clase I ___________________________________________________________________ 35

Cerámicos - Clase II _________________________________________________________________ 36

Cerámicos - Clase III _________________________________________________________________ 36

Construcción de Capacitores Cerámicos _________________________________________________ 36

Capacitores Tipo Chip:______________________________________________________________ 37

Capacitores Cerámicos Moldeados: ___________________________________________________ 37

Capacitores Cerámicos Encapsulado en Vidrio: __________________________________________ 37

- 3 - Capacitores Recubiertos:____________________________________________________________ 37


Capacitores Cerámicos Encapsulados: _________________________________________________ 37

Diseños especiales de capacitores cerámicos: ___________________________________________ 37

Variación de la capacidad _____________________________________________________________ 37

Coeficiente de temperatura, (TC), (Tempco)_______________________________________________ 37

Efectos de la tensión _________________________________________________________________ 39

Cambio de la Capacidad por la Frecuencia________________________________________________ 40

Factor de Disipación (DF) _____________________________________________________________ 40

El Q de los Capacitores Cerámicos______________________________________________________ 41

Resistencia de Aislación ______________________________________________________________ 42

Efecto de magnetización y desmagnetización de los capacitores cerámicos ______________________ 42

Información técnica __________________________________________________________________ 43

Codificación de los capacitores cerámicos ________________________________________________ 44

Capacitores tubulares con terminales radiales: ___________________________________________ 44

Capacitor cerámico de disco:_________________________________________________________ 45

Tubulares con terminales axiales: _____________________________________________________ 45

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DEFINICIÓN

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.

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.

Cuando la "capacidad" se realiza expresamente, estamos en presencia de un "capacitor". Un capacitor consiste básicamente de dos placas metálicas paralelas y separadas por un material

dieléctrico. Cuando se aplica tensión entre sus caras, el capacitor después de un cierto tiempo se carga,

dependiendo dicha carga del valor de tensión y del tiempo que tardó. La capacidad de un capacitor, es un factor de proporcionalidad definido como la relación de la carga

adquirida a la tensión aplicada:

VQC = Ec. 1

Cuando Q, se expresa en Coulombs (o Amperios x seg.) y V en voltios, la capacidad C, se expresa

en Faradios. Esta unidad (el Faradio) es muy grande, por eso se recurre a los submúltiplos (µF, nF y pF), tal es el

caso que el capacitor más grande que se puede adquirir en la actualidad, es de 1 Faradio y con una tensión de trabajo de 5 Voltios, (usados en computación, por supuesto son electrolíticos y de placas de aluminio).

La unidad física de capacidad, se define sobre una esfera en el espacio libre con respecto a un punto de referencia. la Ley de Coulomb y las ecuaciones de campos de Maxwell, proveen las derivaciones de las fórmulas de capacidad para las distintas geometrías.

La fórmula fundamental, para la capacidad de dos placas paralelas es:

dAEC ×

= Ec. 2

C: Capacidad en Faradios. E: Permeabilidad del dieléctrico. A: Área de las placas en metros2. d: Distancia entre las placas en metros.

Donde el dieléctrico es isotrópico, lineal y de espacio homogéneo. La permeabilidad en el vacío o espacio libre esta dado por:

[ 222

7

0 m/NewtonCoulomb4.Π.Π

10E ×= ] Ec. 3

Donde C es la velocidad de la luz, (2,9979 x 108 m / seg.). La fórmula de la capacidad ahora se vuelve:

91036.Π6.

AC −×= Ec. 4

O más exactamente:

[ os(pF)picoFaradidA8.85C ×= ] Ec. 5

Si el dieléctrico es otro que el vacío, y se lo relaciona con él, se llama constante dieléctrica "k", y se

define como la relación de la permitividad particular del material E a la del espacio libre:

0EEk = Ec. 6

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Y la fórmula fundamental de la capacidad de dos placas paralelas separadas por un medio isotrópico, lineal y homogéneo como:

[pFd

8,85.k.AC = ] ; en el sistema MKS Ec. 7

Si A y d se expresa en pulgadas:

[pFd

0,2249.k.AC = ] Ec. 8

Esta fórmula es aceptable cuando A es muy grande con respecto a la distancia d. Si la relación d es

mayor de A/1000, el efecto de la no-uniformidad del campo se vuelve predominante y con la expresión antes mencionada no es precisa.

Figura 1

La figura muestra, la extensión del campo electrostático de un capacitor con dieléctrico de aire, por

el efecto de borde, (frige eff ) para contemplarlo se debe sumar d, los siguientes factores de corrección:

1. Para bordes rectos, sumar 0,44d al lado. 2. para bordes circulares, sumar 0,011d al radio.

Energía

La energía de las cargas es almacenada, como energía electrostática en el dieléctrico y es igual a ½ CV2 . Si esta energía es absorbida proporcionalmente sobre un tiempo t, la potencia requerida es:

t2.V.CP

2

av = Ec. 9

Donde:

Pav : es la potencia media en Vatios. C: capacidad en Faradios. V: tensión en Voltios. t: tiempo de carga en segundos.

Bajo condiciones de alterna, la proporción de energía es absorbida y luego devuelta por el

capacitor al circuito y vale:

f.V.C.Π2.P 2av Π= Ec. 10

Donde:

f: es la frecuencia en Hz. V: tensión en valor eficaz (rms).

Cuando se aplica una tensión continua a un capacitor, el campo eléctrico, dentro del

dieléctrico produce un "desplazamiento" de las cargas de su posición de equilibrio (recordar que la palabra dieléctrico proviene de dipolo). Este trabajo es quien carga al capacitor y se expresa en Joules o Vatios x segundo, quedando como energía potencial almacenada y vale:

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2.CQ.C.V2

1.Q.V21J

22 === Ec. 11

J: es el trabajo en Joule o Vatio-seg. C: Capacidad en Faradios. V: Tensión en Voltios. Q: Carga en Coulomb o Amperios-seg.

Circuito Equivalente

Una expresión útil para comprendes a la capacidad, es la ecuación diferencial que define la respuesta de un circuito eléctrico que contiene una tensión constante Vo, una resistencia R, inductancia L y una capacidad C en serie:

2

2

0 dtqd.L

CQ

dtdq.RV ++= Ec. 12

Si la corriente se define como dq / dt entonces:

dtdi.Lidt.

C1R.iV0 ++= ∫ Ec. 13

De modo que la recíproca de c es análoga a un resorte, en un sistema mecánico dinámico. Un capacitor práctico incluye, inductancia y resistencia en su circuito equivalente, por lo que

esta expresión se hace útil. 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:

C.f.2.1XC Π

= Ec. 14

Donde f es la frecuencia de la onda senoidal. El circuito equivalente general de un capacitor es el de la siguiente figura:

Figura 2

C: Capacidad. Rs: Resistencia en serie (terminales, placas e interfases eléctricas). L: Inductancia (terminales, placas, etc.). Rp: Resistencia en paralelo (corriente de fuga, absorción del dieléctrico, resistencia de

aislación). Los valores de L, Rs y Rp varían enormemente de un tipo de capacitor a otro y todos los

factores deben tenerse en cuenta para una elección adecuada. Podemos decir a modo de síntesis que, la L y la Rs es importante para altas frecuencias y

Rp normalmente expresada como resistencia de aislación para aplicaciones en acoplamientos. La Rs es la medida de la pérdida por disipación de calor y se expresa como factor de

potencia o factor de disipación.

DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Dieléctrico - Distintos tipos

La característica común de un material dieléctrico, ya sea, sólido, líquido o gaseoso y sea o

no de naturaleza cristalina, es la habilidad para almacenar energía eléctrica. Este almacenamiento, se debe al desplazamiento relativo de su posición de equilibrio, de las cargas positivas y negativas

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tanto atómicas como moleculares. El único dieléctrico perfecto, es aquel donde la conducción es nula y la recuperación de la

energía es total, es el vacío perfecto, mejor dicho espacio libre porque el término vacío perfecto no incluye nada ni siquiera a las cargas eléctricas.

Permitividad relativa (constante k)

La habilidad de un material dieléctrico, para retener cargas almacenadas, es lo que

llamamos permeabilidad del material y la relación de la misma con la del espacio libre (Eo), es la constante dieléctrica k. La tabla siguiente da algunas constantes dieléctricas de capacitores más comunes.

Para la fabricación de capacitores, se debe tener en cuenta el material dieléctrico, porque da las características de respuesta a la frecuencia, tensión térmicas y mecánicas.

La mayoría de las constantes dieléctricas, se dan en forma aproximada, ya que ellas varían con la pureza de su composición química y el proceso de fabricación.

PRIVATEMaterial Dielectric constant "k" Organic Inorganic

Vacuum 1 (by definition) x Air 1.0006 x

Ruby mica 6.5-8.7 x Glass (flint) 10 x

Barium titanate (class I) 5-450 x Barium titanate (class II) 200-12,000 x

Kraft paper 2.6 x Mineral oil 2.23 x Caster oil 4.7 x Halowax 5.2 x

Chlorinate diphenyl 5.3 x Polyisobutylene 2.2 x

Polytetrafluoroethylene 2.1 x Polyethylene terephthalate 3 x

Polystyrene 2.6 x Polycarbonate 3.1 x

Aluminium oxide 8.4 x Tantalum pentoxide 28 x

Niobium oxide 40 x Titanium dioxide 80 x

Tabla 1 El otro análisis que surge de la tabla, es referente a los capacitores electrolíticos de

Aluminio y Tantalio, dado que k no es alto y sin embargo se logra grandes capacidades, esto se debe a que la distancia d entre placas, es muy pequeña por cuanto su separación es de dimensiones iónicas, (la del electrolítico).

Expresiones que se pueden usar en aplicación y definición de capacitores

Capacidad:

d.10A.k0.224.C

6−= Ec. 15

Capacidad total capacitores en paralelo:

n321t C..........CCCC ++++= Ec. 16

Capacidad total, capacitores en serie:

n321t C1..........

C1

C1

C1

C1

++++= Ec.17

Reactancia capacitiva:

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2.Π.Π.F10X

6

C = Ec. 18

Frecuencia de resonancia:

C.L.2.10f

3

rΠ

= Ec. 19

Factor de disipación:

4

C10R.C.f.2.

XRDF −×Π== Ec. 20

Figura de mérito:

DF1

RXQ C

M == Ec. 21

Resistencia equivalente serie:

26

IPL10

C.f.2.PFR =×

Π= Ec. 22

Impedancia:

( )CL2 XXRZ −+= Ec. 23

Factor de potencia:

ZRPF = Ec. 24

Coeficiente de temperatura:

( )6

121

21C 10

C.TTCCT ×

−−

= Ec. 25

Donde: A = área para (a) en pulgadas y (b) en metros. C = capacidad en µF. d = distancia entre placas (a) en pulgadas; (b) en metros. DF = factor de disipación , es adimensional y multiplicado por 100 del porcentaje. e = base de los logaritmos naturales. f = frecuencia en Hz. i = corriente continua de fuga en Amperios. Iac = corriente eficaz de riple en Amperios. Ipk = corriente continua pico en Amperios. k = constante dieléctrica. L = inductancia en Hy. PF = factor de potencia, adimensional, multiplicada por 100 del porcentaje. PL = pérdidas de potencia , (W). Q = carga del capacitor. QM = figura de mérito, es adimensional. R = resistencia equivalente en serie del capacitor en ohmios. RB = resistencia de By pass o en paralelo con el capacitor , en ohmios. t = tiempo en segundos. T = temperatura en ºC. TC = coeficiente de temperatura, ppm/ºC. V = tensión continua sobre el capacitor. Vc = tensión sobre el capacitor durante la carga y descarga , en voltios. Vo = tensión del capacitor cargado en voltios. W = vatios. XC = reactancia capacitiva en ohmios. XL = reactancia inductiva en ohmios. Z = impedancia en ohmios.

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CARACTERÍSTICAS DE LOS CAPACITORES

Las características especificadas en un capacitor además de la capacidad, incluyen el factor de Disipación (DF), resistencia equivalente en serie (ESR), resistencia de aislación (IR) o corriente de fuga y rigidez dieléctrica. Aparte de estos básicos hay otros parámetros de mucho interés que son la temperatura, la tensión y la frecuencia.

La temperatura de referencia de los capacitores es de 25ºC con un rango típico de -55 a 125ºC. La tensión depende de la fábrica y la frecuencia de aplicación depende primeramente del tipo de dieléctrico. Las condiciones de prueba, se especifican para cada tipo en particular.

Figura 3

Perdidas en el capacitor

El factor de disipación (DF) y el factor de potencia (pF) son la evaluación de las pérdidas en el capacitor, y tanto una como otra, pueden usarse dependiendo del tipo de capacitor.

Las perdidas en altas tensiones de alterna , de capacitores de papel impregnado en aceite , es de interés para el usuario, que se especifique el factor de disipación , en cambio las pérdidas para la mayoría de los capacitores, usados en bajos niveles de C.C. y C.A. , se especifica el factor de potencia.

Muchas fábricas , consideran el factor de disipación , como una medida del control del proceso y especifican las pérdidas en esta forma.

En el capacitor ideal, la corriente alterna se desfasa con respecto a la tensión 90º como muestra la figura anterior.

En la práctica , la corriente desfasa con respecto a la tensión un ángulo φ, menor de 90º, debido a la resistencia en serie R, el complemento de este ángulo es llamado ángulo de pérdida δ:

Factor de potencia = cos φ = sen δ Factor de disipación = tg δ, a veces se le llama tangente de pérdida.

El factor de disipación, (DF) es afectado por la frecuencia , la capacidad y la resistencia, como lo indica la figura siguiente:

Figura 4

La resistencia y la capacidad, son afectados por la temperatura, influyendo directamente

sobre el material del dieléctrico, modificando la constante R como lo indica la figura anterior y las siguientes:

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Figura 5

Figura 6

Las pérdidas por frecuencia , en los capacitores, se tratan en forma particular para cada tipo .

La variación de la permitividad del dieléctrico con la frecuencia , en muchos capacitores se mantiene baja, pero en otros, el alineamiento de los dipolos no se completa debido a la colisión molecular entre sí y las pérdidas por frecuencia se hacen considerables.

Ejemplo de esto, sucede con los capacitores cerámicos de alto k con dieléctricos ferromagnéticos, donde se manifiesta como pérdidas por frecuencia y por histéresis.

Resistencia equivalente en serie (ESR)

La resistencia R en alterna representa en un capacitor a ambas Rs y Rp, las pérdidas para

una frecuencia dada se definen como ESR. La ESR de un capacitor electrolítico, se especifica normalmente más en detalle ya sea para

evaluar correctamente las pérdidas como el calentamiento que dicha resistencia produce y puede ser importante en ciertas aplicaciones.

En la práctica se usa la expresión (8) de la Tabla 1. El valor de PF, puede calcularse por la hoja de datos del fabricante, para una capacidad, ESR a una temperatura, de operación, con una frecuencia de riple aplicada.

Resistencia de aislación (IR)

Todo material dieléctrico, usado en fabricación de capacitores deja pasar una cierta

cantidad de corriente continua (corriente de pérdida). Esta corriente se especifica para una tensión aplicada sobre los extremos del capacitor dividida por la Rp del mismo.

Para capacitores de bajo valor de papel; fibra; mica y cerámica la IR se expresa en Megohmios y está en el orden de los 100.000 MΩ.

En los capacitores de alto valor, se disminuye el espesor del dieléctrico y en consecuencia también disminuye IR, por eso, en estos capacitores la IR se expresa en Ω x F o MΩ x µF que

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equivale a segundos. La IR, es inversamente proporcional a la temperatura y usualmente se especifica para

rango de temperatura. La siguiente figura muestra la variación de IR con la temperatura, para capacitores de uso común:

Figura 7

Notas:

• Mylar y Teflón, son marcas registradas de la fábrica E.I. Du Pont de Nemours Co.

• Mylar: es Tereftalato de Polietileno, resina obtenida por la condensación del glicoletileno y del ácido tereftal.

• Teflón: es politetrafluoretileno, es una resina sintética blanca. En el caso de los capacitores electrolíticos, donde la Rp es baja por ser delgado el espesor del dieléctrico y las capacidades son altas, se especifica la corriente de fuga en lugar de la resistencia de aislación (IR).

La figura siguiente lo muestra:

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Figura 8

Rigidez dieléctrica

Es la habilidad del dieléctrico de un capacitor, para permanecer con la tensión continua aplicada sin que se produzca la ruptura (descarga por arco). Normalmente se especifica para un material dieléctrico a una temperatura dada, en Volt / mm.

En algunos casos, se especifica una tensión aplicada sobre el dieléctrico del capacitor, para una temperatura con cierto margen de seguridad (le llaman Withstanding Voltage, DWV).

Absorción del Dieléctrico

Es la permanencia de la polarización eléctrica en un dieléctrico, este efecto, puede durar

muchos años. En ciertas mezclas de ceras endurecidas en presencia de un intenso campo eléctrico. En

esto, se basa el efecto llamado ELECTRETS, que consiste en polarizar en forma permanente , ciertos materiales calentados y luego enfriados en presencia de un intenso campo eléctrico. Algunas sustancias, como la cerámica Titanato de Bario, cera natural u otras orgánicas, pueden usarse para tal fin. El campo eléctrico de un electret, se compara al campo magnético de un imán permanente.

Desde el punto de vista práctico, podemos interpretar a la absorción del dieléctrico, como a aquellas cargas adicionales que absorve el capacitor, a posteriori de haber alcanzado la máxima tensión entre los bornes, (si lo cargamos con una fuente de corriente constante y conocemos las resistencias Rs y Rp de dicho capacitor y la de la fuente, podemos saber cual es la máxima tensión esperada). El tiempo por la corriente circulante nos dirán la cantidad de cargas absorbidas por el dieléctrico.

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 absorbida por el dieléctrico. Este análisis práctico, para determinar la absorción del dieléctrico se la llama "Reaparición de Tensión", debido a que la tensión residual, una vez que el capacitor se puso en corto circuito hasta lograr la descarga.

La reluctancia del dieléctrico, primero pierde portadores de cargas, debido al efecto de polarización, cuando el capacitor es cargado.

Estos portadores, se vuelven una trampa durante la descarga y cuando se libera el mecanismo del cortocircuito, estos portadores en trampa se dirigen libremente a los electrodos. Este resultado observado en el capacitor, como tensión de recuperación, o rebote hacia atrás.

De modo que: "La absorción del dieléctrico, es un fenómeno de movimientos de electrones"; tensión, tiempo y temperatura, todos factores que lo modifican.

La absorción del dieléctrico, es una consideración importante, para circuitos de alta velocidad y en conmutación, como así también en aquellos que involucran radiaciones nucleares.

La absorción del dieléctrico, se expresa en por ciento (%) y es la relación de tensión de recuperación con respecto ala tensión de carga por 100.

Efecto corona

La ionización del aire, vapor u otros gases cuando conducen corriente se les llama corona.

Esto prevalece en capacitores en alta tensión, pero puede ocurrir, con tensiones de alternas bajas de 250V en aire y a presión reducida y donde ocurren gradientes de alta tensión. Sólidos en vacío, electrodos con forma de punta o filosa, aislaciones no homogéneas, etc., pueden provocar el efecto corona. En el aire, la corona produce ozono y varios óxidos de nitrógeno.

Químicamente, el ozono es un agente oxidante potente, ataca muchos materiales orgánicos. Los óxidos de nitrógeno, en presencia de humedad sobre los terminales, producen ácido nítrico con lo que tornan quebradiza ciertas materias orgánicas.

Físicamente, la descarga corona produce electrones e iones de alta velocidad, pudiendo atravesar materias orgánicas, vidrios y cerámicas. En el caso de los aceites la corona conduce a la formación de cera, que produce vacío y la destrucción.

En dieléctricos clorados aromáticos, la corona provoca erosión y eventualmente la formación de canales semi carbonizados, con la tensión de ruptura y la consiguiente falla.

El efecto corona, puede evitarse, con el diseño adecuado del capacitor, y con la eliminación de causas tanto en la fabricación como en la instalación.

A continuación se muestra una gráfica, de una fábrica, que realiza la experiencia de distintos dieléctricos, entre electrodos de 0,25" de diámetro:

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Figura 9

En aplicaciones de alta confiabilidad, el diseño de un capacitor es tal, que, la tensión pico

aplicada, incluye transitorios que no exceden la tensión de inicio de la corona.

Influencias sobre el capacitor

Todas las características, previamente definidas afectan al capacitor, pero las tres más importantes son la tensión, temperatura y la frecuencia.

Tensión: a 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, que se verá en detalle más adelante.

Temperatura: cuando cambia la temperatura, cambia la constante dieléctrica, por lo tanto, cambia el valor de la capacidad.

En general son menos sensibles a la temperatura, los capacitores de bajo k. Los gráficos siguientes muestran variaciones por temperatura de los capacitores más comunes:

Figura 10

Figura 11

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Figura 12

Figura 13

La frecuencia: Este factor, muchas veces no lo tiene en cuenta 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, durante su uso. Esto puede producir sobre pulsos si se trabaja cerca de la frecuencia de resonancia. Y lo más importante que un capacitor, es capacitivo antes de la frecuencia de resonancia, resistivo en la frecuencia de resonancia y por encima de ella es inductivo. En la figura siguiente, se muestra una aplicación en alta frecuencia de cerámico de disco, sólido de Tantalio y de película enrollada de poliéster:

Figura 14

Los óptimos para alta frecuencia, son los cerámicos de disco, NPO, de película metálica

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con dieléctrico de mica o vidrio.

Rango de capacidad para diferentes dieléctricos

La figura siguiente, muestra los rangos estándar de capacidad, tanto para aplicación industrial o militar:

Figura 15

Esto no incluye, las fabricaciones especiales.

Máxima tensión continua de diferentes capacitores

La figura siguiente, muestra las máximas tensiones, a que pueden someterse distintos dieléctricos.

Figura 16

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Capacitores en CC y en CA

Un capacitor diseñado para cc, no es adecuado para hacerlo trabajar en c.a. arriba de los 200V, porque ocurren descargas internas, haciendo burbujear gas.

Un capacitor diseñado para c.a., se fabrica para que esté libre de descargas internas y con pequeño ángulo de pérdidas, para minimizar el calentamiento interno. Estos no son adecuados para trabajar en cc.

Rendimiento volumétrico

Se refiere a la relación que vincula el tamaño del capacitor, con el valor de la capacidad y la

tensión de trabajo, si bien es cierto que no se menciona, juega un rol importante, ya que influye en el espesor del dieléctrico y las capas de recubrimiento para la aislación.

Figura 17

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 Al)

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. Un capacitor electrolítico de aluminio, que ha sido almacenado sin uso, por un periodo

mayor a 6 meses, requiere una nueva formación del dieléctrico. La tensión de formación, es la tensión que figura en carcasa, (tensión nominal), vale decir que:

a. Para tensiones menores de 100V, colocar en serie con el capacitor, una

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resistencia de 470 ohmios limitadora de corriente. b. Para tensiones mayores de 100V, colocar en serie, 1 Kohm.

En ambos casos el tiempo de la formación está alrededor de 1 hora. Nota: Si un capacitor, es formado a una tensión menor a la nominal queda en esas nuevas

condiciones y si alguien aplica la nominal puede destruirse o en su defecto, envejecer prematuramente.

Tensión de fundido (para tipos metalizados)

Es la tensión aplicada, durante la fabricación de los capacitores metalizados a la cual

funden.

Fallas por Auto curado (para los tipos metalizados)

Una rápida descarga del capacitor, quema la aislación de los electrodos metalizados provocando un cambio en sus características, restando sus propiedades. Es una falla desafortunada, porque el capacitor queda en servicio, con el valor de la capacidad modificado.

Lo óptimo, es que el capacitor al fallar quede en circuito abierto de esta manera se hace fácil su identificación en análisis de fallas de circuitos.

Descargas internas

Son descargas parciales, que se producen en un capacitor debido a la ionización del gas en

el dieléctrico, inapropiado por arriba de los 200V. Con cc tales descargas son muy poco frecuentes y no son causa de fallas.

Geometría del capacitor

Se ha analizado, la influencia del dieléctrico y las placas sobre el valor de la capacidad,

pero también es importante su forma, a continuación se dan algunas geometrías sencillas: - Capacitores planos C = E. s / d Ec. 26

- Capacitores esféricos concéntricos C = 4.Π.E. (r1.r2)/(r1+ r2) Ec. 27

- Capacitores cilíndricos C = 4.Π.E / (lnr2 / r1) Ec. 28

CLASIFICACIÓN DE LOS CAPACITORES

Las capacidades en un circuito las encontramos como: Capacidades distribuidas

Son las capacidades que se presentan en todo circuito donde se encuentran conductores a

distinto potencial, separados por un medio dieléctrico. Estas capacidades, cuyo valor es difícil calcular dependen de la prolijidad del cableado tamaño del circuito.

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: (semi fijos): aire; mica; cerámica; vidrio.

VARIABLES: aire; mica cerámico; vidrio.

Capacitores Fijos

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Se caracterizan por el dieléctrico usado. La selección de un capacitor implica no

sólo el valor de la capacidad nominal, sino también la consideración de otros parámetros importantes como son la tolerancia, el coeficiente de temperatura, margen de intervalo de frecuencias, el tamaño y el costo.

En base a estos parámetros, a los capacitores fijos los podemos clasificar en:

- 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

Los capacitores de mica son los mejores capacitores considerando todas sus propiedades exceptuando a los de vidrio y porcelana. Presenta una combinación excelente de estabilidad, rigidez dieléctrica, buen factor de mérito Q, constante dieléctrica, longevidad, inactividad química, resistencia a la humedad, no presentadas por los demás dieléctricos.

Los condensadores de dieléctrico de mica 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.

Figura 18

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 adaptan en particular en circuitos de alta frecuencia. Presentan una constante k de 6,5 a 8,5

pudiendo obtenerse valores comprendidos entre 1pF y 1uF con tensiones de trabajo de 50V a 50.000V. Químicamente la mica es un complejo silicato de aluminio, con potasio, Mg, Na, Li. El tamaño cubre una amplia gama ya que este depende de la capacidad y del voltaje.

- 19 -


El coeficiente térmico es de alrededor de +-500 ppm en el rango de 0 a 70 ºC. Las tolerancias obtenidas van de +-20% a +-2%. La rigidez dieléctrica es de 2.000V para espesores de 0,02 mm por lo cual se pueden alcanzar

elevadas tensiones en alta frecuencia. Para aplicaciones que requieren una mayor resistencia de aislación, mayor Q o características más estables, el capacitor se encierra en una caja especial de baja pérdidas de baquelita o con resina epoxi o fenólica moldeada.

Los capacitores de mica 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

En éstos, las hojas de metal se remplazan 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.

Los condensadores de dieléctrico de mica se emplean en altas frecuencias donde se

necesita un valor de capacidad pequeña y un factor de disipación reducido. Como en aplicaciones pueden citarse la sintonía de osciladores y los filtros.

Formas de codificación de los capacitores de Mica

Las características de los capacitores de mica pueden especificarse por medio de un código

alfanumérico impreso en el capacitor o por medio del código de colores. En cuanto el código alfanumérico existe la codificación dada por las normas militares MIL compuestas por las normas MIL-C5, MIL-C-39001, MIL-C-10950, MIL-C-23269 y por las normas EIA compuestas por las normas TR -109 y RS -153.

La forma de codificar los datos según las dos normas es:

CM 05 B D 100 K N 3

CM: componente. 05: tamaño de cubierta. B: característica MIL. D: tensión nominal MIL. 100: capacidad. K: tolerancia. N: rango de temperatura. 3: grado de vibración.

R CM 20 A 053 M 5 N R: prefijo EIA. CM: componente. 20: tamaño de cubierta. A: característica EIA. 053: capacidad. M: tolerancia.

- 20 -


5: tensión continua de trabajo. N: rango de temperatura. Las letras CM especifican en ambas normas que se trata de un capacitor de mica fijo. La cubierta se especifica por dos números que identifican el tamaño y la forma del

capacitor. La característica se indica por una letra de acuerdo a un código, el cual permite conocer el

corrimiento de la capacidad con la temperatura y el coeficiente térmico. El valor de la capacidad se especifica por una cifra de 3 dígitos. Los dos primeros son las

cifras significativas y el tercero es el multiplicador. La unidad en este caso es el pico faradio o sea:

100 = 10pF 053 = 5000pF 332 = 3300pF

Solo si es necesario se utilizan tres cifras significativas. Este valor de capacidad especificado es medido a 1Mhz. para capacitores menores a 1nF y

para capacitores mayores a 1nF se mide a 1khz. El valor de la tolerancia se especifica por una letra:

M = ±20% K = ±10% D = ±5% H = ±3% G = ±2% F = ±1%

Tensión nominal: Las normas MIL designa la tensión nominal por medio de una letra:

A = 100V B = 250V C = 300V D = 500V F = 1000V G = 1200V H = 1500V J = 2000V E = 600V

Las normas EIA expresan la tensión nominal con un número que representa centenas de voltios:

3 = 300V 20 = 2.000V

Rango de temperatura: las normas MIL designa el límite superior de temperatura con una letra, siendo en todos los casos el límite inferior de -55ºC:

M = +70ºC N = +85ºC Q = 125ºC P = +150ºC

Las normas EIA usa dos rangos designados con N y Q que son iguales a los correspondientes a las normas MIL.

Características adicionales de los capacitores de mica moldeada: para estos capacitores el Q mínimo medido a 1kHz. está dado por una gráfica:

Figura 19

La gráfica muestra la variación de Q y compara la mica con los capacitores de vidrio. El coeficiente térmico se obtiene realizando los siguientes ciclos térmicos:

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MIL: +25, -40, -10, +25, +45, +65, +85, +25ºC EIA: +25, -20, +25, +85, +25ºC

Para determinar la rigidez dieléctrica son sometidos los capacitores de mica a una tensión dos veces mayor a la Vcc nominal.

Resistencia a la humedad según normas EIA: se los somete durante 120 horas en ciclos de 16 horas a 40ºC y 90% de humedad relativa, debiendo pasar al cabo de estos ciclos la prueba de rigidez dieléctrica y debiendo presentar una resistencia de aislación mínima de 1000 Mohm para los de clase A y de 2000 Mohm para el resto.

Fatiga: se los somete a una prueba de fatiga a +85ºC a una tensión del 150% de la tensión nominal, no debiendo presentar fallas antes de las 1000 horas según normas MIL y de las 500 horas para las normas EIA.

Vibración: (para normas MIL) esta se específica en el código por medio de un número:

1- Corresponde a una vibración de 10 a 55 Hz a 10 g (aceleración de la gravedad) durante 4,5 horas.

2- Corresponde a una vibración de 10 a 2000 Hz a 20g durante 12 horas. Factor de disipación (DF)

Las especificaciones standard requieren para los capacitores de mica moldeada que los

factores de disipación no superen los valores dados por las gráficas siguientes; que hace la comparación con el vidrio y la porcelana.

Figura 20

Los cambios típicos de DF con la temperatura y la frecuencia, se muestran en las siguientes

figuras:

Figura 21

Aquí se muestra, que la mica es levemente inferior en calidad al vidrio y la porcelana, sin

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embargo estos últimos son de mayor costo y de menor rango comercial de capacidad. El cumplimiento de las normas MIL requiere que los capacitores de mica recubiertos de

epoxi tengan factores de disipación menor al 0,35% para capacitores de 1000pF y de 0,15% para capacitores mayores a 1000pF.

Este factor de disipación debe medirse a 1mhz para capacitores menores de 1nF y a 1kHz para capacitores de 1nF para arriba.

Las normas EIA, en iguales frecuencias que las normas MIL, requieren que los factores de disipación no superen los siguientes valores:

Capacidad (pF) Factor de Disipación

1.000 - 2.000 0.0017 2.001 - 3.000 0.0016 3.001 - 8.000 0.0015

8.001 - 30.000 0.0014 30.001 - 67.300 0.0013

67.3001 - 100.000 0.00125 Tabla 2

Resistencia de aislación

La resistencia de aislación es medida en la mayoría de los capacitores de mica a 100 V de

la corriente continua después de 60 segundos aplicada. En los capacitores de alta tensión se la mide a 500 Vcc después de 120 segundos de aplicada esta tensión. Como esta resistencia depende del valor capacitivo y de la temperatura, se grafica esta en función de la capacidad, usando como parámetro la temperatura:

Figura 22

Corriente límite de utilización

En transmisión los capacitores fijos de Mica son diseñados para operar a 20 ºC y hasta 30

ºC de temperatura ambiente. Las corrientes de RF en función de la frecuencia se muestran las gráficas siguientes, a la que son capaces de transferir los capacitores fijos de Mica, al aire libre.

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Figura 23

Códigos de colores para capacitores de mica moldeada

Las características de los capacitores de mica pueden darse por medio de un código de

colores representado por puntos coloreados ubicados a ambos lados del cuerpo del capacitor.

Figura 24

ANVERSO

En algunos casos se codifica el reverso del cuerpo

Figura 25

El punto correspondiente a tipo de dieléctrico será blanco para capacitores de mica que

cumplen con la norma EIA y será negro para los que cumplen con la norma MIL.

- 24 -


El código de color usado para el valor capacitivo es el universalmente conocido. En cuanto a la tolerancia y las características, los colores son:

PRIVATE Negro Marrón Rojo Naranja Amarillo Verde Oro Plata Tolerancia % ± 20 (M) ± 1(F) ± 3 (H) ± 3 (H) ± 5 (J) ± 5 MIL ± 10 Características A B C D E F Tensión V - 100 200 300 400 500 1000 2000

Tabla 3

Figura 26

Capacitores de mica moldeada Capacitores de mica recubiertos en epoxi

Capacitores de Mica tipo botón

Figura 27

Característica de temperatura para capacitores de Mica

PRIVATEEspecificación

MILC-S MIL–C 10950

MIL–C 39001

TR 109

RS 153

Código de característica

Coef. de temperatura

Máximo ppm/ ºC

Corrimiento máximo (drift)

x x x x B ± 500 ± (3,0% + 1,0 pf ) x x x x C ± 200 ± (0,5% - 0,5 pf ) x x x x D ± 100 ± (0,3% + 0,1 pf ) x x x x x E ± 100, -20 ± (0,1% + 0,1 pf ) x x x F + 70,0 ± (0,05% + 0,1 pf)

x G 0, -50 ± (0,1% + 0,1 pf ) Tabla 4

El último está especificado para TR 109 que se utiliza en transmisión.

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Figura 28

Formato de un capacitor de mica de alta tensión para transmisión.

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 lo ofrecen en el tipo comercial (Normas EIA), solamente en Normas MIL.

CAPACITORES DE DIELÉCTRICO DE PAPEL

Los capacitores 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.

El papel y las láminas de aluminio pueden disponerse de dos formas obteniéndose capacitores de tipo inductivos y antinductivo.

Figura 29

La figura indica las diferencias, caso a) se apoya los electrodos sobre las láminas mientras se

efectúa el arrollamiento, las cargas eléctricas deben acompañar al arrollamiento de las armaduras para

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distribuirse sobre las superficies de éstas, lo que da lugar a una apreciable inductancia que hace ineficaz al capacitor para frecuencias elevadas.

En el caso b), se desplazan las dos láminas de aluminio respecto a las tiras de papel de modo que cada una sobresalga algunos milímetros de un lado, se consigue un capacitor inductivo, puesto que las cargas se desplazan del borde externo al interno de cada armadura para distribuirse sobre toda la superficie. Para este tipo de capacitores se requiere de 20% a 25% más de material.

Un capacitor de papel posee un dieléctrico de material celulósico, usándose papel Kraft (término de origen alemán) impregnado con aceite o cera. El papel Kraft está compuesto por fibras celulósicas obtenido de pulpas de coníferas por procesos alcalinos, los cuales dan origen a fibras muy puras y sin el menor defecto.

El papel normalmente tiene un contenido de humedad de casi un 10% en peso, por lo cual es necesario extraerla antes de ser impregnado con el aceite o con la cera. Esta extracción de agua hace que el papel quede más poroso y que aparezcan intersticios los cuales se deben rellenar. Esto se hace con los impregnantes, que pueden ser:

Ceras: Solo son adecuadas para aplicaciones de corriente continua teniendo una constante dieléctrica k elevada (5.2).

Presenta una resistencia de aislación dado por 15.000 Mohm . m F y un rango de temperatura de –55 ºC a +85 ºC. Aceites minerales: Son adecuados para aplicaciones tanto en C.C. como en A.C. Por ser líquidos no se producen fisuras disminuyendo la posibilidad de descargas internas. Presenta un k » 2.23.

Presenta una resistencia de aislación mínima de 600 Mohm y un rango de trabajo de –55 ºC a + 85 ºC. Aceite de Ricino: Son adecuado para aplicaciones en C.C. y en A.C. si la temperatura es limitada. Presenta una resistencia de aislación mínima de 150 Mohm y un rango de temperatura de –55 ºC a + 85 ºC. Askarel: El más importante es el defenil clorado que posee nombre de fábrica tales como: Aroclor, Diconal, Inertene y Pyranol. Estos son impregnantes polares que tienen una constante k de alrededor de 6, pero presentan características variables con la temperatura y la frecuencia. Tienen amplio uso en corriente alterna debido a su bajo costo y a su buen factor de espacio. La operación en corriente continua es satisfactoria si el impregnante es estabilizado.

La combinación de papel Kraft, el impregnante y las láminas conductoras determinan las

características eléctricas del capacitor. Este se construye tomando una lámina de papel y dos de metal y enrollándolas en espiral formando

el conjunto de cilindro, siendo soldados los terminales a las placas por las bases de este cilindro. La constante dieléctrica del papel Kraft es de 2.23 y la resistividad en seco de 283.000 ohm . cm a

25 ºC. Existen dos tipos de capacitores de papel: Capacitores 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 cerradas con parafina para evitar la entrada de humedad.

Una forma de conectar los terminales a las placas es hacer las placas un poco más anchas que la cinta de papel y colocarlas de forma que una de ellas sobresalga hacia un lado y la otra hacia el lado opuesto. De forma que luego, sobre las zonas que sobresalen se sueldan o funden los terminales.

Esto reduce el efecto inductivo de la espiral por lo que suele a veces denominarse capacitor no inductivo.

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Figura 30

Capacitor de papel metalizado

Consiste en el deposito por vaporización de metales como Zinc o Al sobre la cinta de papel,

proceso que se realiza en presencie de alto vacío. Luego 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. Por ejemplo, para 200 V el capacitor de papel metalizado es 0,75 veces más chico que el de papel laminado. Para 600v es de 0,8, pero pera valores de tensión mayores a 600V no hay diferencias en tamaño.

Tiene la desventaja de autocurarse. El autocurado tiene lugar cuando se produce un corto circuito momentáneo en el Interior del capacitor, generándose calor suficiente como para evaporar el metal depositado en la zona del corto. Una sobre tensión instantánea, es quien inicia la perforación del papel en un punto el cual por la presencia de algunas partículas de carbón o metal resulta eléctricamente más débil. Esta sobre tensión es a partir de 1,5 veces la tensión de trabajo, (1,5 veces la tensión de trabajo es la tensión de prueba para estos capacitores.) Estos en ciertos casos es perjudicial pues el capacitor queda en servicio pero con un valor capacitivo menor, por lo cual el no quedar ni en corto ni en circuito abierto, es difícil de detectar la falla.

Para que este autocurado ocurra, se requiere un circuito de baje impedancia y la aplicación de una relación volt - ampere adecuada durante un corto tiempo. La mayoría de los cortos tienen una resistencia de 1 a 100 ohm y con un valor de 4V y 10 mA es suficiente para evaporar la película metálica.

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.

Los capacitores de papel presentan capacidades comprendidas entre .0001 uF a 1OO uF con tensiones de trabajo de 50 a 1000 V pudiendo obtenerse en casos especiales hasta 50 uF y tensiones de 20000 V, con tolerancias de +- 20% a +-10%.

El rango de temperatura de trabajo está comprendida entre -55 y +85 ºC, dependiendo de la impregnación.

Empleando el aceite de ricino, se obtiene mayor capacidad, pero se mantiene estable en un rango de temperatura menos amplio (-25 ºC a +65 ºC) son muy empleados los aceites sintéticos, como el polusobutileno y la metiletilsilicona.

El coeficiente de temperatura es positivo y no lineal. La tensión nominal se da para una temperatura máxima de 40 ºC, ya que para temperaturas mayores debe reducirse la tensión aplicada.

La experiencia a demostrado que la vida de los capacitores de papel impregnados con aceites o ceras es inversamente proporcional a la quinta potencia de la tensión aplicada.

PRIVATEVida a 45 ºC en

años 1 2 5 10 20

Tensión aplicada en % de la nominal 100 85 70 60 53

Tabla 5 Los capacitores para uso en filtros están especificados para usarse en C.C. Cuando hay presente una C.A., se puede calcular la tensión como la suma de la C.C. mas

la tensión pico de lo C.A. La C.A. no debe exceder del 20% de la especificada para 60 Hz, del l5% para 120 Hz y del

10 KHz. Cuando prevalece la C.A. se deben conseguir capacitores diseñados para tal efecto. En régimen transitorio los capacitores normales de papel no dan un resultado satisfactorio.

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El factor de potencia es función de la sustancia de impregnación. En la mayoría de las aplicaciones en filtros lo que interesa es la reactancia capacitiva y no el factor de potencia. En corriente alterna el Factor de Potencia determina el calentamiento interno del capacitor, en consecuencia debe considerarse la tensión CA y la temperatura. El factor de potencia es función da la tensión aplicada y deben especificarse las condiciones reales y no las arbitrarías.

Con fines de fabricación a mide a 25 ºC aplicando 1 KHz a capacitores menores o igual a 1 uF y con tensiones de trabajo menores o igual a 3 KV, o 60 Hz para capacitares mayores a 1 uF y con tensiones de trabajo mayores a 3 KV. En estas condiciones no se debe sobre pasar del l %

En las figuras 4 y 12 se dan las curvas de variación del Factor de Disipación y la variación de la capacidad con la temperatura en porcentaje, para distintos tipos de capacitores de papel.

Figura 31

En algunos tipos de capacitores se introduce entre las dos hojas de papel metalizado, otra

hoja muy delgada de poliester (tereftalato de polietileno), aumentando notablemente la tensión de trabajo dada su elevada rigidez dieléctrica incluso a alta temperatura.

Aplicaciones

Las aplicaciones típicas de los capacitores de papel laminado son de acople y desacople de

circuitos electrónicos de baja tensión, de filtros de alta tensión continua, de almacenadores de energía, como arrancadores de motores y como correctores del factor de potencia. Los de papel metalizado son usados para acople y desacople en donde el tamaño es un elemento importante. En corriente alterna se han desarrollado capacitores especiales para este uso, particularmente para arranque de motores y en aplicaciones para tubos fluorescentes.

La tabla siguiente, muestra las características de los capacitores en función de los impregnantes.

PRIVATE Impregnante Capacitor

Material K Power factor, % r , W -cm mF / mil. Power

factor, % JR, W /m F

Mineral oil Mineral wax Petroleum jelly Polyisobutylene Silicone liquida Castor oil Chlorinated diphenyl Chlorinated

2.23 2.20 2.20 2.20 2.60 4.70 4.90 5.20

0.03 0.05 0.05 0.03 0.05 0.08 0.05 0.20

1014

1015

1012

1015

1016

1012

1013

1011

600 600 600 600 560 455 430 390

0.20 0.35 0.35 0.20 0.35 0.50 0.20 0.40

20,000 10,000 10,000 25,000 22,000

2,000 15,000

5,000 Tabla 6

Medidas a 100 ºC, excepto difenil clorado a 65 ºC y naftaleno clorado a 125 ºC.

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Comparación de dos tipos de impregnantes.

PRIVATE Mineral oil Chlorinated diphenyl Volume Weight Insulation resistence at 25º C, MW /m F Insulation resistence at 85º C Power factor, 60 Hz, 25º C , % Power factor, 1,000 Hz, 25º C, % Capacitance at -55º C compared with 25º C , %

1 1

4,000 - 22,000 125 - 400

0.20 0.3 94

0.667 1

8,000 - 12,000 75 - 250

0.20 0.35

73 at 60 Hz, 55 at 1 MHz

Tabla 7

Las consideraciones que hay que tener en cuenta para la selección de impregnantes son:

• Estabilidad de la capacidad. • Constante dieléctrica. • Factor de potencia. • Resistencia de aislación. • Viscosidad. • Punto de fluidez. • Coeficiente de expansión de volumen. • Compatibilidad del material. • Gravedad específica. • Estabilidad química. • Productos de descomposición en un arco eléctrico. • Toxicidad (seguridad para personas). • Economía del proceso. • Radiaciones nucleares.

CAPACITORES DE DIELÉCTRICO DE PLÁSTICO

En este tipo de capacitor la cinta de papel se reemplaza por una delgada capa de material sintético

que 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 y no absorben humedad que los caracteriza mayor a los de mica.

Las características eléctricas dependen de la estructura de la molécula de los plásticos. Si la molécula no es simétrica tendrá un momento dipolar que produce un aumento de la constante dieléctrica, siendo esta la tangente de d dependiendo de la frecuencia. Los materiales no polares tienen características independientes de la frecuencia, mientras que los polares exhiben una disminución de la capacidad con el aumento de la frecuencia pasando el factor de disipación por un máximo en un rango de frecuencia. Los materiales plásticos usados como dieléctricos son:

Poliestireno Es un plástico de excelentes características eléctricas, que lo hacen independiente de la

frecuencia. Es un termoplástico con un punto mínimo de fusión de 90 ºC, con moléculas orientadas

biaxialmente, que le confiere al dieléctrico estabilidad y bajas pérdidas. Disponible en espesores de 6 a 30 x 10-3 mm. Sus aplicaciones son para los de película en capacitores de precisión para instrumentación y propósitos generales.

Características:

• Muy resistente a ácidos, álcalis, alcohol y aceites, algunos solventes y grasas lo atacan. De los plásticos es el más resistente a la acción química a otros materiales.

• Absorción de humedad 0.1%. • Rango de temperatura de trabajo –55 ºC a 85 ºC. • Rigidez dieléctrica para espesor de 0.03 a 0.04 mm y a 25 ºC es de 5000 V. • Constante k a 25 ºC y 1 Mhz es de 2.5 .

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• Rango de frecuencia de trabajo por encima de 1 Mhz. • Factor de disipación (DF) a 25 ºC y a 1 Khz es de 0.03%. • Resistividad volumétrica a 25 ºC es de 1.6 x 1015 ohm – cm. • Coeficiente de temperatura –120 ± 30 ppm / ºC. El rango de capacidades ostensibles va de 1 nf a 0.47 uf. Las aplicaciones típicas, debido a que es uno de los mejores plásticos, son

computación, timers e instrumentos de precisión.

Poliéster Es una película de poliéster realizado por la condensación de glicol etileno y ácido

tereftalático, también se lo menciona como tereftalato de poliéster, con distintos nombres comerciales, "MYLAR", "SCOTCHPAR", "CELANAR". Es transparente y flexible, disponible en espesores que van de 0.004 a 0.35 mm. Tiene una variedad de aplicaciones en aislaciones eléctricas aparte de la fabricación de capacitores.

Características:

• Resistente a la acción química y otros materiales. • Absorción de humedad 0.5% • Rango de temperatura de trabajo -60 a +150 ºC. • Rigidez dieléctrica para espesor de 0.03 a 0.04 mm. y a 25 ºC es de 7.500 V. • Constante k a 25 ºC y 1 KHz es de 3,25. • Rango de frecuencia de trabajo de 60 Hz a 1 KHz. • Factor de disipación (DF) y a 1 KHz a 25 ºC es de 0.5%. • Resistividad volumétrica a 25 ºC es 1018 ohm . cm. • Coeficiente de temperatura +1.150 ppm/ ºC. El rango de valores capacitivos obtenibles es de 1 nf a 10 uf con tolerancias de ±

10% a ± 2%. La máxima tensión que puede llegar a soportar es de 1000 a 2000 V.

El coeficiente térmico es de 500 a 1000 ppm/ ºC. La resistencia de aislación es de 100.000 Mohms uf.

Este tipo de capacitor al igual que los demás plásticos pueden ser con láminas metálicas como electrodos o como plástico metalizado.

En el caso de poliester metalizado es común encontrarlos codificado de la siguiente forma:

El código de color para las cifras significativas y el multiplicador es el tradicional. Para la tolerancia el negro corresponde al ± 20% y el blanco al ± 10%. Para las tensiones:

Figura 32

PRIVATEColor

Marrón Rojo Amarillo Azul

Tensión V 100 250 400 630

Tabla 8 Polipropileno

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De características similares al, polietileno pero tiene mayor punto de fusión. Características:

• Buena resistencia química y a otros materiales, especialmente a la humedad. • Absorción de humedad 0,03%. • Rango de temperatura de trabajo arriba de +125 ºC. • Rigidez dieléctrica, para espesor de 0,03 0,04 mm y a 25 ºC es de 5.000 V. • Constante k a 25 ºC y 1 MHz es de 2,1. • Rango de frecuencia de trabajo hasta 1 MHz. • Factor de disipación (DF) a 25 ºC y a 1 MHz es de 0,03%. • Resistividad volumétrica a 25 ºC es de 5 x 1014 ohm . cm.

Polietileno Es una resina termoplástica, hecha por la polimerización del gas etileno. De una

configuración molecular de largas cadenas de etileno, es de color pálido translúcido. Características:

• Buena resistencia química y a otros materiales. • Absorción de humedad menor 0,02%. • Rango de temperatura de trabajo -45 a +95 ºC. • Rigidez dieléctrica para espesor de 0.03 a 0.04 mm y a 25 ºC es de 4.700 V. • Constante k a 25 ºC y 1 Mhz es de 2.1.- • Rango de frecuencia de trabajo 60 Hz a 1 Mhz. • Factor de disipación (DF) a 25 ºC y a 1 Mhz es de 0.03%. • Resistividad volumétrica a 25 ºC es de 1017 ohm.cm.

Poliamida Es el producto de la condensación del dienhídrido piromelítico (proveniente del ácido 1,2-

4,5-benceno tetracarboxílico) y una diamina eromática. Es de las materias orgánicas el más resistente a las llamas y a las radiaciones.

Características:

• Resistente a acciones químicas y de otros materiales excepto a las bases que lo degradan.

• Absorción de humedad 0%. • Rango de temperatura de trabajo mayor de 400 ºC.- • Rigidez dieléctrica para espesor de 0.03 a 0.04 mm y a 25 ºC es de 7000 V. • Constante k a 25 ºC y 1 Khz es de 3.5.- • Rango de frecuencia de trabajo hasta 1 Khz. • Factor de disipación (DF) a 25 ºC y a 1 Mhz es de 0.3%. • Resistividad volumétrica a 25 ºC es de 1018 ohm.cm.

Policarbonato La de película de policarbonato es una resina que ofrece estabilidad dimensional,

propiedades eléctricas estables en amplio rango de temperatura, es una estructura fuerte, flexible y clara. Para la fabricación de capacitores se usa película de estructura cristalina orientada. Su constante dieléctrica casi no es afectada con la temperatura y la frecuencia. Se fabrican capacitores de policarbonato tanto de lámina como de película.

Características:

• Resistencia baja a la acción químicas y de otros materiales. • Absorción de humedad 0.35%. • Rango de temperatura de trabajo -65 ºC a +270 ºC.

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• Rigidez dieléctrica para espesor de 0.03 a 0.04 mm y a 25 ºC es de 2.500 V. (fabricados por fusión) y 1.500 V (fabricados por extrusión).

• Constante k a 25 ºC y 1 Khz es de 2.93 y 2.99.- • Rango de frecuencia optimo de 1 Khz a 1 Mhz. • Factor de disipación (DF) a 25 ºC a 1 Khz y a 1 Mhz es de 0.13% y 1.1%. • Resistividad volumétrica a 25 ºC es de 4.7 x 1016 ohm.cm. (por fusión) y 15 x

1016 (por extrusión). • Coeficiente de temperatura mayor ± 350 ppm / ºC. El rango de capacidad va de 1 nF a 1 uF con tolerancias de ± 5% y ± 10%. La

máxima tensión admisible llega a los 600 V. En los de policarbonato metalizado se puede obtener tolerancias de ± 1% y ± 2%.

Se lo fabrica en forma de espiral al igual a los de papel y moldeado radial y axialmente herméticamente cerrados.

Politetrafluoretileno (Teflón)

Conocido como TEFLON (marca registrada de DU PONT Co), es una resina blanca

químicamente inerte, desarrollada durante la última parte de la segunda guerra mundial para el programa de energía nuclear y para aislación de equipos eléctricos.

Su rango de temperatura está por encima de 250 ºC lo que lo hace atrayente en aplicaciones de temperaturas elevadas, (su punto de fusión está en 327 ºC). En muy altas tensiones, cuando ocurre el efecto corona, se deteriora como cualquier resina orgánica.

Características:

• Resistente a acciones químicas y de otros materiales. • Absorción de humedad , no hay datos. • Rango de temperatura de trabajo mayor de 250 ºC.- • Rigidez dieléctrica para espesor de 0.008 mm y a 25 ºC es de 1.500 V. • Constante k a 25 ºC y de 60 Hz a 10 Mhz es de 2.1.- • Rango de frecuencia de trabajo optimo de 60 Hz a 10 Mhz. • Factor de disipación (DF) a 25 ºC a 60 Hz y 10 Mhz es de 0.05% y 0.02%. • Resistividad volumétrica a 25 ºC es mayor de 1012 ohm.cm. Todos estos capacitores, se los puede encontrar formados por dos laminas

conductoras entre las cuales se encuentra ubicado el plástico, al igual que en los de papel y enrollados sobre sí mismo. La forma de extraer los terminales es similar a los de papel. Se los puede construir de diversas formas: cilíndricos, cuadrados, tubulares, etc. y encapsulados en plástico, resina epoxi, cerámica, etc.

En ciertos circuitos como osciladores, timers, integradores, etc. donde la función del circuito depende de la estabilidad de los capacitores que intervienen en el mismo, es necesario que estos tengan un tempco lo menor posible en el mayor rango posible.

Aprovechando que los capacitores de poliestireno tienen un tempco negativo y lineal y los de policarbonato positivo, se puede formar con ellos un conjunto a fin de disminuir el tempco del conjunto. Así, por ejemplo, si se necesita un capacitor de 1 uF con tempco muy bajo, se pueden colocar un capacitor de poliestireno de 0.47 uF en paralelo con uno de 0.47 uF de policarbonato con tempco de igual valor y distinto signo al de poliestireno, con lo cual se obtiene un capacitor de 1 uF y un tempco bajo en un amplio rango de temperatura.

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Figura 33

Las variaciones de la capacitancia con respecto al valor a 20 ºC, de la resistencia de aislación y de la tangente de d en función de la temperatura están dadas por las siguientes gráficas.

Figura 34 Figura 35

Figura 36

Breve descripción de la fabricación de los capacitores de Mylar y Policarbonato de

la serie MK de Siemens.

1. Enrollado Las cintas de dieléctrico metalizado son enrolladas entre láminas

protectoras no metalizadas. 2. Contactos

Las placas conductoras se interconectan por medio de espolvoreado de metal sobre las caras del capacitor.- 3. Cortado y colocación de terminales

Se cortan los capacitores del bloque original, según el valor capacitivo, proceso controlado por computadora.

Se consiguen tolerancias de ± 5% y finalmente se colocan los terminales. 4. Sellado y medición

Con esta medición se saca la capacidad definitiva y las conclusiones sobre la aislación y el factor de disipación.

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CAPACITORES CERÁMICOS

Estos capacitores, se obtienen, metalizando las superficies cerámicas con una suspensión de óxido

de plata o sumergiendo en éstas las piezas cerámicas, protegidas donde sea necesario por mascarillas o por pulvericen de los metales fundidos.

Las cerámicas 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 .-

A los capacitores cerámicos se los clasifica en 3 grandes grupos: Clase I, Clase II y Clase III, la tabla 1 sintetiza, las características. El mineral básico para todos los capacitores cerámicos es el dióxido de Titanio (Ti O2).

Cerámicos clase I

Los capacitores con este dieléctrico, emplean normalmente como base el Dióxido de

Titanio o Titanato de Calcio (tempco negativo) con adición de Magnesio (tempco positivo), Titanato de Bario y de Estroncio para obtener determinadas características. Como lo muestra la tabla 1 la constante k oscila entre 6 y 500 y el factor de potencia 0,4% a menor. Los capacitores de la clase I son adecuados para circuitos resonantes, para acople y desacople entre etapas de alta frecuencia, compensaciones de temperatura y otras aplicaciones donde el alto Q y la estabilidad son esenciales.

En esta clasificación, el hecho de que la cerámica es de material no ferroeléctrico es el primer factor de estabilidad del capacitor así fabricado. Además de un control cuidadoso de las propiedades del dieléctrico, durante el proceso, minúsculas impurezas en el Dióxido de Titanio, reducen enormemente el Q y la resistencia de aislación.

Tipo de Cerámica

Clase II Atributo Clase I

Estable Inestable Clase III

Constante dieléctrica k a 25 ºC 6 - 500 250 - 2400 3000 - 10000 900 - 5100 (antes de la reducción)

Rango Operativo de Temperatura (ºC) -55 a +125 -55 a +125 +10 a +85 -55 a +80

Coeficiente de variación de la capacitancia con la Temp. (ppm/ºC) P150 a N5600

Factor de disipación a 25 ºC (%) 0,001 - 0,4 0,4 - 1,0 1,0 - 4,0 4 - 8

Máximo cambio de la capacidad, 25 - 55 ºC (%) - +2, -8 +0, -90

-15 a 3V -85 a 10 V -71 a 12V -75 a 25V -29 a 30V

Máximo cambio de la capacidad, 25 ºC hasta máx. rango de temperatura (%) - +2, -10(125ºC) +0, -60(90ºC)

+13 a 3 V (80ºC) +17, -60 a 10V (80ºC) +50 a 12V (80ºC) +4, -30 a 25V (80ºC) 0.5 a 30V (80ºC)

Aging por década de tiempo (%) - 0.8 – 2.8 2.5 – 8.0 1 - 6

Uso Circuitos sintonizados, alta frecuencia (microondas), alto Q

Acoplamiento, temporizado. Paso, filtrado.

Acoplamiento de bajo voltaje y paso en circuitos con transistores ( 3 a 50V)

Características

Capacitor ultra estable con respecto a la temperatura, dc y ac, frecuencia y tiempo. Alto Q. Amplio rango de temperatura.

Tamaño pequeño. Amplio rango de características, bajo costo. Amplio rango de temperatura.

Alta eficiencia volumétrica

Grandes capacidades, Alta eficiencia volumétrica, bajo costo.

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Desventajas Gran tamaño y costo. Efectos piezoeléctricos.

Rango de temperatura limitado (usualmente de 0 a 65ºC). Efectos piezoeléctricos

Baja resistencia de fuga. Alta sensibilidad a la tensión.

Tabla 9

Cerámicos - Clase II Aquí se usa como material base el Titanato de Bario. Una variedad de compuestos tales

como el Titanato de Estroncio, Titanato de Calcio, de Zirconio y Niobio. Todos estos reaccionan con el Titanato de Bario modificando las propiedades del

dieléctrico. Procesando estos compuestos se llevan a cabo las propiedades eléctricas de los que están encuadrados en cerámicos de Clase I.

El Titanio de Bario tiene propiedades ferroeléctricas y que no es lineal en función del potencial aplicado, (por ejemplo) y esto es debido a las propiedades mencionadas de la celda unidad, que tiene forma tetragonal con momentos dipolares, suficiente para modificar las características del dieléctrico con la temperatura, tensión, efectos mecánicos, frecuencia. El punto Curie del Titanato de Bario es de 120ºC, temperatura que cambia la forma de la celda unidad a cúbica y pierde las propiedades ferroeléctricas. Como lo muestra la tabla 1 la constante k oscila entre 250 y 10.000 y decrementa con el envejecimiento. El factor de potencia va de 0,4% a 4%.

Los capacitores cerámicos, Clase II, son usados donde la miniaturización es importante, de desacople en radiofrecuencia, filtros, y de acople ínter etapa donde Q y la estabilidad de la frecuencia están comprometidas.

La clase II está dividida en 2 subgrupos estables e inestables (los de alto k), los grupos están definidos por la temperatura.

La constante k de los estables está aproximadamente entre 250 y 2.400 y tienen una alinealidad de las características definida sobre un rango de -60 a +125ºC y exhibe un cambio máximo en la capacidad de un 15% desde el valor a 25ºC.

Los inestables o de alto k con un rango de la constante dieléctrica desde 3.000 a 10.000. Este alto k se obtiene por fórmulas del Titanato y aditivos que mueven al punto Curie de 125ºC aproximadamente, (recordar que en la temperatura Curie la permeabilidad cae a 1) para los cerámicos de k estables a cerca de la temperatura ambiente para los cerámicos de alto k.

Los cerámicos compuestos con ferroeléctricos exhiben severos cambios de la capacidad sobre el rango -55 a +85ºC o menos dependiendo de la composición usada, causando decremento de k del 30 al 80% . La adición de Bismuto le confiere estabilidad por temperatura, pero inestabilidad química, esto obliga a usar placas de platino en el diseño monolítico. Debido al costo se trata de utilizar otros metales nobles como electrodos.

Cerámicos - Clase III

Los capacitores de doble capa eléctrica de contacto entre metal y semiconductor (el

proceso llamado barrier layer), se hace con esta Clase III. En este tipo de diseño los discos cerámicos son tratados con calor en una atmósfera reducida, de modo que la resistividad decrementa a cerca de 10 ohmios x cm. Una capa delgada de la superficie de este cuerpo entonces es reconvertida al estado de aislación bajo la acción de una atmósfera de oxidación. Los electrodos de plata son aplicados a las caras normalmente colocados al mismo tiempo que realiza el proceso antes mencionado. De esta forma se constituye un capacitor entre el cuerpo conductor (electrodo) y el semiconductor, que se sintetiza el proceso con el término barrier layer. Cuando se colocan al disco los electrodos externos, o sea las placas, queda en definitiva como dos capacitores en serie.

Construcción de Capacitores Cerámicos

Los capacitores cerámicos se fabrican de las más diversas formas y estilos. El proceso

comienza con un cilindro o una hoja de cerámica verde, con lo cual se da la forma deseada que consiste en una fina mezcla de cerámica y una resina como aglutinante. La cerámica de color verde es encamisada o pintada con una pasta de metal precioso, tal como el platino, paladio o plata para formar los electrodos. Para los capacitores monolíticos los electrodos son apilados intercalando cerámica. Para procesos de una sola capa (para los estilos discos) y posteriormente cortados, cuadrados, discos, rectangulares o de otras formas deseadas.

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Luego se remueven las materias orgánicas y posteriormente se sintetizan entre 1.200ºC y 1.450ºC dependiendo de la composición de la cerámica se procede a la sección electrodos, que es sumergirlo en la pasta de metal precioso a la temperatura de 750ºC para dar una terminación


soldada. Capacitores Tipo Chip:

Para el uso de chip de capacitor se usan los de clase I y II, sin terminales para luego hacer encapsulado de cualquier tipo. Este sustrato se usa generalmente en microelectrónica, donde luego se realiza el encapsulado en conjunto con componentes activos (caso de los circuitos híbridos).

La cerámica no es higroscópica y prácticamente está exenta de humedad. Con la ausencia de inductancia en los terminales estos chips trabajan bien en alta

frecuencia.

Capacitores Cerámicos Moldeados:

Se usan chips rectangulares de una gruesa capa o en bloque monolítico, se colocan los terminales en forma radial o axial para los cilindros. La cubierta final es de epoxi. Capacitores Cerámicos Encapsulado en Vidrio:

Este tipo emplea un chip cerámico multicapa o de simple capa con los terminales sellados en un tubo de vidrio. En apariencia son similares a los de terminales axiales.

Este tipo de montaje se realiza en ambientes que se reemplaza el aire por nitrógeno y rodea a los terminales con un bloque de carbón. Se hace pasar una corriente adecuada y se funde el vidrio sobre los terminales dando garantía de un buen sellado.

Capacitores Recubiertos:

Son aquellos que el recubrimiento externo no adopta una geometría definida. Se logran sumergiendo a los chips en una resina líquida o bien haciendo la deposición sobre un baño electrostático. Sucesivos baños van dando el espesor adecuado. Capacitores Cerámicos Encapsulados:

Son los encapsulados en doble línea, se realizan de una y multicapa y toman el formato de un integrado DIL. La terminación es por soldado de cada uno de los capacitores a los terminales y luego el moldeado final.

Está el otro camino, para que los capacitores sean de igual valor se incorpora un única bloque cerámico. Diseños especiales de capacitores cerámicos:

Aparte de los estilos standard, hay una variedad de forma discoidal o sea discos con orificio en el centro y un electrodo allí y el otro externo. El uso más frecuente es como filtro en paralelo para filtros de radio frecuencia.

Hay otro formato que un electrodo pasa a través de un bloque cerámico. Alrededor del bloque cerámico está el terminal de masa. Estos formatos especiales se realizan con toda clase de capacitores cerámicos.

Variación de la capacidad La capacidad de los cerámicos varía con la temperatura, la tensión continua y alterna y la

frecuencia. La cantidad de variación depende de la composición de la cerámica, el grosor del dieléctrico

y el proceso de fabricación. Siempre se deben consultar las hojas de especificaciones técnicas del fabricante para estar cerca del comportamiento real de un capacitor.

Coeficiente de temperatura, (TC), (Tempco)

En los cerámicos en general, la relación capacidad y temperatura no es lineal. Esto es

importante para comprender que el coeficiente de temperatura es un valor medio de cualquier capacitor a ciertas condiciones de medición hechas por el fabricante.

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El coeficiente de temperatura se define como cambio en % de la capacidad o bien en ppm/ºC (partes por millón y por grados celsius).

Este coeficiente se calcula por la medición del cambio de la capacidad entre 25 ºC y 85 ºC, luego dividido por 60.

En conclusión el Tempco no es lineal con la temperatura. El Tempco no representa cambio esperado de la capacidad por cada grado centesimal que se cambie.

Sin embargo el cálculo del Tempco no es una expresión simple como un número. Los dieléctricos de clase I son identificados por su TC, pero es importante saber que se hizo por la medición de dos puntos. Este cerámico tiene un TC más negativo en las cercanías de -55 ºC. Por lo tanto, lo que en realidad se tiene como dato del TC, para cuando el capacitor trabaja entre 25 ºC y 85 ºC.

Hay una tolerancia nominal en el TC en ± 30 ppm/ºC para los NPO (coeficiente negativo) positivo Nulo 0 ± 1.000 ppm/ºC para el tipo cerámico N 5.600. Lo dicho para el NPO es que 0 ± 30 ppm/ºC. Esto incluye un lote de fabricación o entre lotes de distribución de fábrica.

El TC para los cerámicos de Clase I se muestra en la figura siguiente.

Fig. 37

Aquí se ve el incremento del coeficiente negativo cuando mayor es el valor de la constante

dieléctrica. Por ejemplo un dieléctrico de dióxido de Titanio con una constante k de 85 tiene un Tempco

de -750 ppm/ ºC mientras que un cerámico de bajas pérdidas y con un k de 6 tiene un Tempco de +100 ppm/ ºC.

Sin embargo, para cualquier capacitor de un tamaño dado, a mayor capacidad tendrá un coeficiente mayor de temperatura.

Un alto de repetibilidad se obtiene para todos los capacitores cerámicos de Clase I, comúnmente usados.

El prefijo N es para los TC negativos. El prefijo P para los TC positivos y en ambos casos para temperaturas de 25 ºC en adelante ya que para valores menores cambia de signo.

Las curvas características por temperatura, para los de Clase II y III, ambos estables e inestables se muestran en la figura siguiente.

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Fig. 38

Se pueden ver las diferencias de variación sobre el rango de -55 ºC a + 125 ºC. Los inestables nunca usarlos como compensador de temperatura en circuitos.

Efectos de la tensión

Los estudios de la física de estado sólido dan, las propiedades de los dieléctricos cerámicos (tal como los estudios de Kittel) y que definen la celda cerámica y su polarización. Cada celda unidad con lo que se forma el cristal dan datos significativos de los efectos de la tensión. La figura siguiente muestra los efectos típicos de la tensión continua para los de clase I y III.

Fig. 39

Los cerámicos de clase I, operan entre -55 ºC y 125 ºC son considerados de efecto nulo por

la tensión aplicada. Para los de discos de una capa de 0,025 mm de espesor o clase II y III el efecto de la

tensión aplicada no es predominante. En muchos casos para capacitores de alto k se especifica, el uso para cierta temperatura y

frecuencia. En contraste con la polarización de tensión continua que decrementa el valor de la

capacidad, la tensión alterna produce un reordenamiento de las celdas unitarias dentro de los dominios del material cerámico, con lo que resulta un incremento con la tensión alterna.

Los cerámicos de clase II, basados en el Titanato de Bario con agregado de Estanato de Bismuto o Pentóxido de Tantalio o Niobio. Estos compuestos al ser ferroeléctricos producen variaciones en el dieléctrico que se notan en mayor grado con el incremento de la constante k.

La figura siguiente muestra el efecto de la tensión alterna aplicada.

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Fig. 40

Cambio de capacidad medida a 1 V. eficaz y 1 Khz, para un diseño estándar de capacitor.

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. La figura siguiente da una ilustración del rango de respuesta de frecuencia para dieléctricos cerámicos típicos.

Fig. 41

Muestra las diferencias típicas entre el aditivo de Bismuto y el no agregado de él.

Para chip de capacitores cerámicos de bajo valor y de clase I, la estabilidad con el incremento de la frecuencia es buena.

Con el incremento de la capacidad, el incremento de la constante k, la estabilidad decrementa.

Factor de Disipación (DF)

El factor de disipación (DF), raramente afecta al circuito, excepto en aplicaciones que

requieren alto Q, donde los de clase I se usan. Los de clase II el DF a temperatura ambiente varía típicamente entre el 1% y el 4%. En

normas militares el límite del DF es de 2,5%. El DF, 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. El DF puede revelar contaminación, soldaduras frías, electrodos partidos, terminales mal unidos, etc.

La figura siguiente muestra la variación del DF, y puede notarse que a -55 ºC el DF se incrementa a mas del 10% dependiendo de la cerámica.

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Fig. 42

El DF de cerámicas libre de Bismuto es significativamente menor a -55 ºC .

Las condiciones para medir este parámetro son similares, a las de la capacidad en el que el valor es afectado por las mediciones de tensión y frecuencia.

Las figuras siguientes muestran las variaciones del DF por la tensión continua y alterna.

Fig. 43 Fig. 44

Las variaciones del DF por la frecuencia lo muestra la siguiente figura.

Fig. 45

El Q de los Capacitores Cerámicos

El factor Q varía considerablemente de acuerdo con la clase de cerámica. La figura muestra la variación entre lotes de fabricación.

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Fig. 46

Estas curvas sin embargo dan una referencia al diseñador, para determinar cual es el más optimo para una aplicación determinada.

La técnica usada para medir a Q, determina la validez para aplicaciones en alta frecuencia. Los terminales deben ser lo mas corto posible y los contactos no inductivos para que la reactancia responda efectivamente al capacitor propiamente dicho.

Resistencia de Aislación

La resistencia de aislación de los capacitores cerámicos, consiste de 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 general todo esto se sintetiza como resistencia de aislación.

En la práctica es común expresar a la resistencia de aislación al producto de microfaradios y Megaohmios o sea en segundos.

La relación entre capacidad y resistencia de fuga están en proporción inversa, de modo que la resistencia de fuga es primeramente una función de la corriente de fuga en el dieléctrico, en la práctica se asume que la resistencia de fuga es también una función del espesor del dieléctrico.

A mayor superficie del capacitor la resistencia de fuga es menor. Estas relaciones se refieren al uso común del término megaohmios x microfaradios.

Para baja capacidades, será menor la resistencia de fuga y entonces se hace con muchas láminas delgadas de dieléctrico.

La resistencia de fuga, varía enormemente para las distintas composiciones cerámicas, y los distintos controles de las fábricas. Generalmente los cerámicos de bajo k tienen una gran resistencia.

La resistencia de fuga se degrada con el incremento de la temperatura, debido al aumento de la actividad iónica.

Efecto de magnetización y desmagnetización de los capacitores cerámicos

A nivel internacional se las conoce como "aging y deaging effect". Teniendo conocimiento de este efecto se les dará un uso adecuado a los capacitores cerámicos.

El efecto de magnetización del dieléctrico, describe el cambio del dieléctrico con el tiempo y es igual al logaritmo (decimal) de la constante k con el tiempo.

Los cerámicos de Clase I, son de dieléctrico no ferroeléctrico por lo tanto no exhiben este efecto.

Los cerámicos de Clase II, presentan un significativo efecto aging, característica debida a varias causas. La primera causa es la transformación de los cristales de Titanato de Bario, que tienen una estructura tetragonal ferroeléctrica. Cuando la temperatura se mantiene por debajo de los 120 ºC, (punto Curie). El momento dipolar de la celda unidad es tal que los efectos de la tensión, el tiempo, los esfuerzos mecánicos orientan los dominios de polarización del cristal.

Esta orientación o movimiento de la celda unidad, hace disminuir a la constante dieléctrica con lo que disminuya la capacidad y el factor de disipación, esto es lo llamado efecto aging.

Cada vez que el capacitor es calentado por encima del punto Curie todo lo negativo de la constante dieléctrica se recupera. En esta condición la celda unidad pasa a forma cúbica, esto es el efecto deaging. Muchos capacitores cerámicos de Titanato de Bario quedan completamente desmagnetizados a 150 ºC.

Otro parámetro importante que afecta a la magnetización del capacitor es la tensión continua. La aplicación de tensión continua cerca de la tensión de trabajo produce una disminución de la capacidad y cuando se retira la tensión el capacitor normalmente no recupera su valor original. La causa aging bajo esta condición es similar a la transformación de la fase cristalina, en este caso el campo eléctrico produce una fuerza coercitiva que tiende a alinear a la celda unidad dentro de los dominio de la polarización y esto produce una disminución de la capacidad y del factor de disipación.

El aging effect de los capacitores cerámicos con Titanato de Bario siguen la ecuación general de:

k1 = k0 - m . log t Ec. 29

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donde k1 es la constante dieléctrica al tiempo t, k0 es la constante dieléctrica al tiempo inicial, puesto a 1, m es la proporción de cambio desde k0 a k1 como muestra la tabla siguiente.

Tabla 10

Muestra el efecto de magnetización (aging) después de 1.000 horas de funcionamiento, y

puede notarse que no es notorio en algunos casos. Para prolongar la vida del capacitor se lo somete a una premagnetización.

Como se mencionó anteriormente el factor de disipación es afectado por el aging, con un decrecimiento gradual durante el almacenamiento. Este cambio es favorable, sino es de gran magnitud.

La premagnetización de los capacitores en ciertos circuitos que no toleran cambios de la capacidad en las primeras 1.000 horas. Otra forma de controlar el aging, es por la inclusión de ciertos aditivos en la composición de la cerámica. Las investigaciones sobre este efecto, el de magnetización, se continúan.

La gráfica siguiente, muestra el efecto del aging, para capacitores cerámicos Clase II, estables, por la aplicación de 0V: Tensión de trabajo y 2 veces la tensión de trabajo.

Fig. 47

Información técnica

FAPESA en sus capacitores cerámicos indica el TC de capacitor por una franja de color en

el extremo superior del capacitor.

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Fig. 48

PRIVATE

TC Color

P100 Rojo / violeta NPO Negro N075 Rojo N150 Naranja N220 Amarillo N330 Verde N470 Azul N750 Violeta

N1500 Rojo / amarillo Tab. 10

Los capacitores cerámicos presentan formas diversas: tipo disco, tubular, cápsula roscable

y encapsulado en chip como circuito integrado. En este último caso varios capacitores se montan encapsulado DIL (Dual in Line). Cada capacitor puede ser independiente o interconectado entre sí.

La inductancia de los terminales y del elemento genera una resonancia en paralelo en la gama de los Mhz. Se aconseja tener cuidado por encima de los 50 Mhz en los capacitores tubulares y por encima de los 500 Mhz en los de tipo disco.

A continuación se ilustra una tabla de pruebas realizadas en fábrica a capacitores cerámicos, da una idea de los ensayos pese a ser una tabla que no está actualizada ya que las normas RETMA, ya no está en vigencia por estar unificada la industria electrónica por EIA.

Norma RETMA Norma MILC - 20 1 2 3 4 Resistencia de aislación mínima inicial (Mohm) 7500 7500 7500 7500 7500

Mínimo (C 30pF) 1000 1000 500 350 250 Desviación de CMÁX con ciclo de temperatura en % o en pF (el que sea mayor)

0,2 % ó 0,25 pF 0,3 % ó 0,25 pF

Máxima tensión pico de trabajo (V) 500 500 500 500 500 Prueba de humedad 100 horas a 40 ºC y 95% de humedad relativa

Prueba de fatiga a 85 ºC 150 Hs 750 Vcc 250 Vca 100 Hz

100 Hs a 1000 V 1000 Hs 750 V

Después de prueba de fatiga y humedad (Q mín. 30 pF)

Mayor a ½ Q inicial 350 250 150 50

Resistencia de aislación (Mohm) 1000 1000 100 Variación máxima de la capacidad después de prueba de fatiga 1% 1 % 1 % ó 0,5 pF

Tabla 11

Codificación de los capacitores cerámicos

Capacitores tubulares con terminales radiales:

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Código de colores:

Figura 49

1 2 3 4 5 Color Tempco 1º Cifra 2º Cifra Multiplicador C ≤ 10pF C> 10 pF

Rojo / Violeta P100 Negro 0 0 1 ± 20% Marrón N033 1 1 10 ± 0,1 pF ± 1 % Rojo N075 2 2 102 ± 0,25 pF ± 2 % Naranja N150 3 3 103 Amarillo N220 4 4 104 Verde N330 5 5 ± 0,5 pF ± 5 % Azul N470 6 6 Violeta N750 7 7 Gris 8 8 10-2 Blanco 9 9 10-1 ± pF ± 10 % Naranja /Naranja N1500

Tabla 12 Código alfanumérico:

Figura 50

Capacitor cerámico de disco:

En el capacitor cerámico de disco, a veces, se expresa la capacidad de la siguiente forma:

Figura 51

104 significa: 10 x 104 pF = 0,1 µF Z es la tolerancia = +80 y –20 % El color del cuerpo, según tabla 12.

Tubulares con terminales axiales: Código alfanumérico: por ejemplo

R1CC20CH100K R1 Clase RETMA.

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CC Capacitor cerámico.

20 Tipo de encapsulado. C Coeficiente Térmico.

H Tolerancia del tempco.

100 1º, 2º cifra y multiplicador.

K Tolerancia de la capacidad.

Código de color: disposición similar al de los resistores.

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL MENDOZA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

CAPACITORES PARTE II

PROFESOR TITULAR: ING. ADOLFO F. GONZÁLEZ PROFESOR ADJUNTO: ING. RICARDO M. CESARI AYUDANTE TRABAJOS PRÁCTICOS: ING. RUBÉN O. VICIOLI

2004


ÍNDICE CAPACITORES ELECTROLÍTICOS________________________________________________________ 4

Polarización de los capacitores __________________________________________________________ 5 Capacitores polarizados: _____________________________________________________________ 5 Capacitores semi polarizados:_________________________________________________________ 5 Capacitores No polarizados: __________________________________________________________ 5

Electrolitos secos y húmedos ___________________________________________________________ 5 Tensión Nominal _____________________________________________________________________ 7 Riple ______________________________________________________________________________ 8 Corriente nominal ____________________________________________________________________ 8 Corriente de pérdida o fuga_____________________________________________________________ 9 Efecto Térmico ______________________________________________________________________ 9 Pérdidas __________________________________________________________________________ 10 Condiciones de prueba _______________________________________________________________ 10

CAPACITORES ELECTROLÍTICOS DE ALUMINIO __________________________________________ 11 Calificación de los capacitores de Al _____________________________________________________ 13 Algunas consideraciones publicadas por FAPESA sobre los capacitores de Al ____________________ 15 Elección de un capacitor electrolítico de Al ________________________________________________ 17 Síntesis de la serie 122 de Philips_______________________________________________________ 18

Condiciones de prueba: _____________________________________________________________ 19 Mediciones: ______________________________________________________________________ 19 Corrientes de Fuga: ________________________________________________________________ 24

CAPACITORES ELECTROLÍTICOS DE TANTALIO __________________________________________ 26 Capacitores de Tantalio de láminas _____________________________________________________ 26 Capacitores de tantalio húmedos de ánodo sinterizado ______________________________________ 30 Capacitores de tantalio sólido de ánodo sinterizado _________________________________________ 34

Transitorios de alta corriente en sólidos de tantalio: _______________________________________ 38 Aplicaciones de sólidos de Tantalio espalda a espalda: ____________________________________ 38

Código de colores para capacitores de Tantalio ____________________________________________ 39 Código de colores para capacitores miniatura de tantalio: __________________________________ 40

CONSIDERACIONES DE POTENCIA EN ALTERNA PARA LA SELECCIÓN DE CAPACITORES ______ 40 CONSIDERACIONES DE FRECUENCIA Y TEMPERATURA EN LA ELECCIÓN DE CAPACITORES ___ 43 CAPACITORES FIJOS DE PRECISIÓN____________________________________________________ 45

Capacitores de aire __________________________________________________________________ 45 Capacitores de vacío y de Gas _________________________________________________________ 45

CAPACITORES ESPECIALES ___________________________________________________________ 45 CAPACITORES INTEGRADOS __________________________________________________________ 45 CAPACITORES AJUSTABLES: LOS TRIMMER _____________________________________________ 46

De aire ____________________________________________________________________________ 46 Trimmer cerámicos __________________________________________________________________ 47 Trimmer de vidrio____________________________________________________________________ 47 Trimmer de plástico __________________________________________________________________ 47

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Trimmer de mica ____________________________________________________________________ 47 COMPONENTES ACTIVOS QUE TIENEN CAPACIDAD_______________________________________ 48

Diodos ____________________________________________________________________________ 48 Diodo Gunn ________________________________________________________________________ 48 Diodo Pin __________________________________________________________________________ 48 Diodo sintonizador varactor____________________________________________________________ 49 Diodo de capacidad variable (Varicap) ___________________________________________________ 49

EFECTO DE LA RADIACIÓN EN CAPACITORES____________________________________________ 50

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TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N. 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.

El capacitor electrolítico cumple con estos requisitos, por ser los capacitores de más alto rendimiento volumétrico, y de menor costo por microfaradio. Se puede agregar que en algunos casos especiales se reemplaza en forma directa a un capacitor de este tipo por uno del tipo electrostático.

En la actualidad, se están construyendo capacitores electrolíticos con vida útil de alrededor de 20 años.

Los capacitores electrolíticos se caracterizan por las diferentes construcciones. 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 pero, además, se está usando el Titanio,

el Niobio, el Zirconio y otros que son anodizados para formar la película de dieléctrico de valores limitados. Un esquema simplificado se muestra en la figura siguiente:

Figura 1

Cuando se usa el Aluminio, el dieléctrico es un óxido de combinación cristalina y amorfa (gamma)

cuya fórmula básica es Al 2 O 5. Cuando se usa Tantalio, el óxido es Ta 2 O 5 (pentóxido). En el siguiente dibujo se describe un capacitor electrolítico miniatura perteneciente a la serie C426 AR/ de FAPESA. Sus dimensiones son 6, 7 mm de diámetro y 18,5 mm de longitud.

Figura 2

Estos óxidos pueden ser "formados" por la conexión del material de ánodo como electrodo positivo

en una celda electrolítica que contenga una solución de fosfato o borato. El electrodo catódico, usado en el

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TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N. proceso de formación, normalmente es cobre o níquel. Algunas fábricas utilizan de cátodo aluminio, estaño o acero inoxidable.

La tensión continua aplicada al sistema oxida al ánodo de aluminio o Tantalio, lo cual produce una "capa de bloqueo" con las características requeridas. Esa película de óxido es porosa.

La capacidad por unidad de superficie resultante depende del espesor de la película y es proporcional a la tensión aplicada para formarla.

En resumen: la corriente de polarización "directa" de una película de óxido es caracterizada por una alta resistencia de aislación y la corriente "inversa" de polarización se caracteriza por una baja resistencia de aislación (fenómeno equivalente e inverso a la de un diodo semiconductor).

La corriente "inversa" puede no dañar al capacitor, siempre y cuando no se produzcan excesos de calentamiento interno. Esto es probable que ocurra con ánodo sintetizado húmedo de Tantalio, que provoca una migración de moléculas desde el cátodo al ánodo. La corriente inversa de señales alternas. Las señales alternas de mayor frecuencia producen mayor calentamiento.

En el caso de aluminio, la tensión de formación de fábrica está alrededor de 754 V por cada micrómetro de espesor, tan pronto como el campo eléctrico disminuye por debajo de 700 V/ micrómetro, cesa el transporte de iones y el proceso se detiene.

Otros factores que intervienen en la formación son: la temperatura, el tiempo y el tipo de formación que se adopta.

El rango del espesor del óxido oscila entre 11 y 15 A° / V aplicado. En el caso del Tantalio es de 16 y 20 A° / V y tensión de formación no más de 500V. La constante dieléctrica efectiva del óxido de aluminio puro es de 8,4 y para el óxido de Tantalio es de 28. Si la pureza de estos materiales es baja, la constante dieléctrica disminuye enormemente. En el caso de FAPESA, el aluminio es de un grado de pureza de 99,998 %.

Polarización de los capacitores

Los capacitores electrolíticos de Al y Ta, en la actualidad, se fabrican polarizados, semi polarizados y no polarizados.

Capacitores 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. Si a este tipo de capacitor se lo trabaja en continua adecuadamente con alterna

superpuesta, no sucede nada, siempre y cuando la tensión alterna en los picos negativos supere al valor de continua y lo deje polarizado en forma inversa de manera de poner a cátodo del capacitor positivo con respecto a ánodo. En estas condiciones se trata de formar también la placa de cátodo y como resultado disminuye el valor de la capacidad (como si se fabricara un nuevo capacitor en serie).

Por lo comentado, se deduce que las aplicaciones para este tipo de capacitor es en circuitos de continua (potencial unidireccional), con un máximo de riple especificado. Capacitores semi polarizados:

Este tipo es 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.

Capacitores No polarizados:

El diseño de este tipo tiene igual espesor de película de óxido en ánodo y cátodo, lo que lo hace útil en alterna. Pero teniendo en cuenta que la frecuencia sea baja ya que caso contrario hace aumentar la temperatura debido al factor de potencia y la corriente de fuga.

Aquí también el valor de alterna debe ser menor al de continua, con excepción de ciertos tipos de hoja de Tantalio.

Hay algunos no polarizados que son diseñados para minimizar el factor de potencia, mientras que otros son fabricados para minimizar la corriente fuga.

Electrolitos secos y húmedos

Los capacitores electrolíticos se producen en dos estilos básicos.

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El ánodo sinterizado o estilo esferoide con electrolito húmedo o seco se usa exclusivamente en los 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). El encapsulado de este tipo termina en un extremo con un elastómero, a efectos de protegerlos del sobrecalentamiento que desprende gases y ejerce presión interna.

Los capacitores electrolíticos secos se caracterizan por una elevada resistencia equivalente serie (ESR) pero admiten ser sellados herméticamente y su aplicación es óptima para equipos militares, donde el peligro de fuga del electrolito no puede ser tolerado. Además, tienen mayor período de vida que los húmedos. El circuito equivalente de un capacitor con electrolito húmedo es el siguiente de la serie FAPESA.

Figura 3

Ca: es la capacidad del ánodo.

Rp: es la resistencia de aislación.

Rox: es la resistencia serie de la capa de óxido.

Rel: es la resistencia serie del electrolito y papel.

Ls: es la inductancia serie total.

Llamaremos además Rs a la resistencia serie total. O sea, Rox x Rel. Para el usuario son de fundamental importancia las siguientes propiedades:

1. La capacidad Ca (medida a 50Hz).

2. El factor de pérdidas (tg δ = 2 π. f. Rs, Ca para 50 Hz).

3. La impedancia Z.

El significado de las propiedades 1 y 2 es obvio. En el caso de capacitores utilizados para el filtrado de fuentes de alimentación con corrientes de "riple" de baja frecuencia, la capacidad, las pérdidas son parámetros muy importantes.

Sin embargo, en la actualidad se utilizan, además, los capacitores electrolíticos para desacoplamiento en un rango de frecuencias. En estos casos es la impedancia, más que la capacidad, la que decide un buen o mal comportamiento del capacitor. Debe recordarse que la impedancia varía con la frecuencia. Para el circuito serie indicado, la impedancia z está dada por:

2

S2 ωl

ωc1RZ

−+=

Esta expresión puede simplificarse para algunas frecuencias determinadas, en efecto: Para 50 Hz; Z ≅ 1 / ωc Para 100 KHz; Z ≅ Rel Para 10 MHz; Z ≅ L s

Esto demuestra que un rango de frecuencias de importancia práctica, la impedancia,

presenta un valor mínimo que está principalmente determinado por la resistencia serie del electrolito líquido (Rel).

En la figura siguiente se muestran curvas típicas de impedancia en función de la frecuencia para capacitores de distintas dimensiones, por ejemplo la curva 4 corresponde a un capacitor de 12,5 mm de diámetro por 30 mm de longitud.

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Figura 4

Una consideración práctica para obtener un capacitor electrolítico no polarizado es colocar

dos capacitores electrolíticos polarizados en serie y espalda a espalda (back to back) con valor doble de capacidad al deseado.

2CCeq =

Este nuevo capacitor varía su valor con la tensión aplicada. Lo aconsejable son los de

tantalio para minimizar la corriente de fuga.

Tensión Nominal

El espesor de la lámina de óxido determina la máxima sobre tensión y la tensión continua nominal que puede aplicarse.

Figura 5

- 7 –

Cada capacitor tiene una sobre tensión nominal que es mayor que la tensión de continua nominal. Esta sobre tensión es la máxima tensión que puede soportar el capacitor bajo cualquier condición, la cual no debe ser aplicada en forma continua. Esto incluye los territorios y los picos de riple. Es la tensión que se puede aplicar al capacitor, en serie con un resistor especificado para limitar la corriente durante un máximo de 30 segundos u otro tiempo especificado antes de aplicar de nuevo esta sobre tensión.


Una tensión excesiva o combinación de tensión y sobrecalentamiento puede provocar la ruptura de la capa de óxido. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, al aplicarle una nueva tensión, el electrolito formará una nueva capa de óxido sobre los electrodos haciendo que la película se regenere.

Esto, en muchos casos, es indeseable dado lo difícil que resulta en este caso encontrar esta falla intermitente.

Riple

Los factores que afectan al riple que puede superponerse a la tensión continua son los

niveles de tensión, de corriente, de frecuencia y de temperatura. 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.

La máxima corriente de riple está limitada por la capacidad del condensador de disipar el

calor generado debido a la corriente de pérdida de continua y al valor eficaz de corriente alterna. La corriente de riple es especificada por la mayoría de los fabricantes a 120Hz y al máximo

de temperatura de trabajo y de allí hacer las consideraciones para cada caso en particular.

Figura 6

Corriente nominal

Los capacitores electrolíticos, además de la corriente nominal de riple, tienen un máximo

admisible de carga y descarga de corriente nominal. Excesiva corriente puede causar quemaduras internas de las placas o posible rotura. En general, deben hacerse pruebas cuando la corriente pico de carga excede 1 A.

Los capacitores electrolíticos no polarizados, usados para arranque de motores, se diseñan para 20 maniobras de arranque por hora. Con cada encendido de máxima duración de 3 segundos o 60 de 1 segundo cada uno. En aplicaciones que se requiere larga vida útil, la temperatura de cápsula del capacitor no debe exceder de 60°C.

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Corriente de pérdida o fuga

La corriente de pérdidas es la corriente continua que circula a través del condensador, siendo la magnitud de esta corriente función de los materiales usados y de su pureza, del espesor de la película de óxido, de la resistividad del electrolito, de la tensión aplicada, del área de las láminas y de la temperatura de trabajo. En general, los capacitores electrolíticos poseen una pobre característica de temperatura. Al aumentar la temperatura, aumenta la corriente de fuga o pérdidas, dando por resultado una disminución de la tensión de ruptura. Esto es debido a que un aumento de la temperatura produce un aumento de la corriente de fuga, lo cual, produce una realimentación positiva llamada escape o fuga térmica.

Esta da como resultado una destrucción de la película de óxido. La corriente de pérdida aumenta con la capacitancia, la tensión y la temperatura.

Los fabricantes especifican la máxima corriente de fuga a la máxima temperatura de trabajo.

Figura 7

Efecto Térmico

Los capacitores electrolíticos varían en forma apreciable con la temperatura su valor

capacitivo. La característica de variación de la capacidad con temperatura, mientras que los de Tantalio, en el rango de temperaturas de trabajo, tienen una variación del 20% de valor capacitivo de –55°C. A estas temperaturas, los electrolitos presentan un factor de potencia alto por lo cual puede producirse por efecto de corrientes de pérdidas un sobrecalentamiento interno del capacitor que da por resultado una variación de la capacidad y, por lo tanto, del funcionamiento del circuito del cual forma parte. Por lo tanto, cuando se trabaja a estas temperaturas, es necesario encender el equipo y dejar un tiempo en funcionamiento para que se logre la estabilización de la temperatura.

En la región de bajas temperaturas, las altas frecuencias producen una variación de la capacidad con la temperatura mayor que a bajas frecuencias.

A bajas temperaturas, las características de capacidad- temperatura hay que tenerlas en cuenta en los capacitores de Al debido a que, al aumentar hasta 25°C, la capacidad aumenta disminuyendo el factor potencia. A temperaturas aún mayores, el factor de potencia puede de nuevo aumentar, produciendo inestabilidad térmica con el riesgo de destrucción del capacitor por escape térmico.

A altas temperaturas, el efecto de la frecuencia sobre la variación de la capacidad no es tan apreciable como en bajas temperaturas. La capacidad, en este caso, decrece y el factor de potencia aumenta al aumentar la frecuencia.

Los capacitores de Al se desarrollan para una operación adecuada a una tensión reducida hasta 150°C durante 2000 horas. Pero para larga vida se recomienda como temperatura máxima los 85°C y, para propósitos generales, se recomienda no superar los 65°C.

Los capacitores de tantalio se desarrollan para trabajar a una tensión reducida y hasta una temperatura de 175°C siendo el límite inferior los –55°C.

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Pérdidas

En los capacitores electrolíticos, la resistencia serie equivalente (ESR) es normalmente especificada como una definición de pérdida en el capacitor.

La pérdida es el producto de ESR por la corriente al cuadrado que circula por el capacitor, expresada en vatios.

Esto incluye las pérdidas en el dieléctrico: pérdida en la película de óxido: resistencia de contacto y resistencia de las hojas conductoras (placas).

Esta ESR dividida la impedancia Z nos da el Factor de Potencia. El incremento de la temperatura de la carcaza del capacitor debido a la potencia a disipar en

vatios por pulgada cuadrada lo muestra la figura siguiente.

Figura 8

En aplicaciones donde está presente una tensión alterna con la continua de polarización, la

potencia total a disipar por el capacitor es la suma de la potencia debido a la corriente c. C. de fuga y los volt - amper debido a la corriente alterna. Debe tenerse precaución en esta medida, debido a que la tensión de polarización afecta el resultado del Factor de Potencia.

La figura de mérito que se utiliza para evaluar las pérdidas en el capacitor electrolítico es el PM , que es la relación de Xc/ ESR.

Normalmente los capacitores se miden polarizados en un puente de alterna a 120 Hz. Sin suficiente tensión continua de polarización, el potencial de alterna debe ser pequeño para prevenir la formación de óxido en el cátodo y de esta manera modificar el valor de la capacidad.

Condiciones de prueba

Medición de la corriente de pérdidas: para medir la corriente de pérdidas se debe

acondicionar primeramente el capacitor aplicándole la tensión de continua nominal a través de una resistencia en serie de 1 Kohm durante 30 minutos a 24 horas y no más de 48 horas para los de Al y de 5 minutos para los de tantalio antes de medir la corriente de pérdidas.

Después del pre acondicionamiento, se aplica la tensión nominal de continua al capacitor con una resistencia serie limitadora y un miliamperímetro. La formación de la película de dieléctrico se produce dentro de los 60 segundos. La corriente de pérdida se mide al cabo de 5 minutos con una precisión de + - 5% para los de Al y del + - 2% para los de Ta. La corriente media en ningún caso debe superar a la especificada por el fabricante.

Medición de la capacidad: El valor de la capacidad se mide a 120 Hz por medio de puentes. Medición del factor de disipación: se mide con puentes en iguales condiciones que la

medición de la capacidad. Medición de la impedancia: Esta medición debe hacerse a bajas temperaturas o a la de

trabajo. Se debe medir a 120 Hz usando cualquier método que de una exactitud de por lo menos + - 2,5%. La tensión alterna aplicada debe ser tan pequeña como sea posible y debe aplicarse durante intervalos cortos a fin de evitar tensiones inversas excesivas y sobrecalentamiento del capacitor. Antes de hacer la medición debe dejarse que el capacitor alcance la estabilidad térmica, la cual se alcanza cuando no se observa variación de la impedancia entre dos mediciones tomadas a intervalos de 15 minutos.

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Las características de la película dieléctrica son:

PRIVATEMet

al Densidad Oxido principal Cte. dieléctrica Espesor Aº / V

Al 2.7 Al2 O3 8 13.5 Ta 16.7 Ta2 O5 27.6 17

Tabla 1 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS DE ALUMINIO

El electrolito usado comúnmente es ácido bórico disuelto en glicol para formar una masa pastosa de resistividad media. Este electrolito empapa una lámina separadora de algún material absorbente como gasa, celulosa no fibrosa o papel de alta pureza como el Kraft. Este separador sirve para mantener el electrolito en el espacio Inter. electródico y para evitar el contacto físico entre las placas positiva y negativa.

Electrolitos no acuosos son agregados al glicol- borato para obtener de 20 a 30 veces menos valor de resistencia serie (ESR).

Otros tipos de electrolitos se deben usar para aumentar el rango normal de trabajo y disminuir la impedancia a altas frecuencias. Las placas positivas (ánodo) usadas son láminas planas normales o láminas estampadas dependiendo del valor de capacidad deseada. Estas se someten a un proceso especial de formación electroquímica que la cubre completamente con una película de óxido extremadamente delgada. La naturaleza y el espesor de esta película dependen de su tensión nominal y de la capacidad deseada.

Las placas grabadas se obtienen mediante un proceso que pone áspera la superficie de la lámina (etched) y aumenta su área efectiva y, por lo tanto, su capacidad. Así pueden obtenerse grandes capacidades para muy bajas tensiones, llegándose a obtener capacitores de 1F a 5V. Este tipo de capacitor es popular en el diseño en baja tensión de fuentes estables de altas corrientes para computadoras.

El material usado en placas positivas es de alta pureza utilizándose material del 99,99% de Al puro. En el electrodo negativo se usa Al de pureza comparable o ligeramente menor al del ánodo, siendo

simplemente el electrodo negativo ya que el verdadero K del capacitor es el electrolito. El conjunto de ánodo separador y placa negativa se arrolla en espiral y es encerrado en un cilindro

de Al que actúa a la vez de blindaje. En general, los capacitores electrolíticos de Al presentan un rendimiento volumétrico 6 veces mayor

a los de papel para igual valor capacitivo e igual tensión. Para tensiones menores a 100 V el rendimiento es mucho mayor. En el caso de colocarse en serie para filtrar alta tensión es necesario colocar resistencias en

paralelo con ellos a fin de hacer que la tensión aplicada a cada uno de ellos sea igual. De otro modo, la caída de tensión puede que no sea igual, debido a que presentan impedancias distintas por su gran tolerancia y, en consecuencia, algún capacitor soportaría una tensión mayor a la máxima tensión nominal y, por lo tanto, puede ocurrir la destrucción del capacitor.

Figura 9

V nominal V / n; n = n° de capacitores

Además, en caso de que uno de ellos se destruya, evita que la tensión se distribuya entre los restantes.

Los capacitores de Al para propósitos generales presentan un tiempo de almacenamiento máximo de 6 meses durante el cual se va degradando la película dieléctrica por lo cual hay que formarla antes de colocar al capacitor en el circuito.

Esto se debe hacer aplicándole la tensión continua nominal al capacitor en serie con cuna resistencia limitadora. Esta resistencia debe ser de 1 K 2 para capacitores con una tensión nominal mayor a 100 V. Esta tensión debe aplicarse durante una hora alcanzando el valor capacitivo nominal con una

- 11 –

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N. tolerancia de + - 3%. El capacitor debe ser descargado luego a través de una resistencia de 1 ohm por cada volt aplicado.

Para usar como filtros, los fabricantes proveen capacitores electrolíticos múltiples con electrodo común, siendo generalmente el terminal negativo.

En definitiva, los capacitores de Al presentan un gran rendimiento volumétrico obteniéndose grandes capacidades pero presentan grandes pérdidas, factor de potencia variable con la temperatura y presentan polaridad.

Su capacidad es muy afectada por la temperatura y presentan grandes tolerancias de –20 a +100%. Al aumentar la frecuencia la capacidad disminuye y el factor de potencia aumenta. A temperaturas bajo cero la resistencia serie equivalente (ESR) aumenta bruscamente. La temperatura de congelación y la de ebullición del electrolito determinan los límites absolutos de uso.

Una cosa a tener en cuenta es el calor generado internamente. La Rp (representa la imperfección del dieléctrico) es mucho mayor que la Rs (ESR). Cuando se aplica una Voc, la Rp es causa de calentamiento interno. Cuando hay presente una componente de ca, la corriente de carga que pasa a través de Rs genera un calentamiento adicional. La tolerancia de calor y la disipación (esta última es función del tamaño) determinan los límites de la corriente alterna. Característica impedancia - frecuencia

Figura 10

La gráfica siguiente da una idea de la variación de la impedancia en Mohm en función de la

frecuencia para capacitores de 150.000 MF de 5V y de distintos tipos de fabricación.

Figura 11

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Para aplicaciones donde se requieren bajas impedancias, altas velocidades de computación (caso de un encendido electrónico, disparo de un flash, etc.) o bien como filtro de un regulador se usan los de lámina apiladas. La comparación de los de láminas apiladas de 4 terminales y los de láminas comunes se muestran en la figura anterior y en la siguiente.

Figura 12

Característica de impedancia de 1.000 MF/7, 5V para capacitor de Al de lámina (hoja de aluminio).

Calificación de los capacitores de Al

Es una forma de agruparlos que, si bien cada fábrica tiene sus propios valores, se pueden ordenar en 4 grupos ya que estos capacitores están parcialmente estandarizados.

La tabla siguiente de una descripción de la graduación que le asigna.

Norma Vida Tipo y Característica EIA MIL Propia

(años) Servicio (años) Test (horas) Aplicaciones

Propósito General: Bajo Costo. Multisección. Mezcla de voltajes. Estilos “plug in”

RS 395 (polarizado) -- 1 3 - 5 500 – 1.000

Productos de consumo masivo. Equipos de entretenimiento. Rango de temperatura limitado.

Larga Vida: Costo moderado. Estilo “plug in”. Laminas de alta ganancia.

RS 395 (polarizado) -- 2 - 3 Sup. A 10 1.000 – 2.000

Equipamiento industrial y telecomunicaciones. Aviónica. Máquinas para negocios. Equipamiento de control.

Vida Extendida: Construcción soldada. Laminas de alta ganancia. Estilos “plug in”. Baja ESR.

--

MIL-C-62D (polarizado) CB11,CB13 CB34,CB35 CB36,CB44 CB45,CB56 CB57,CB58

CB71

3 >10 1.000 - 2.500

Amplio rango de temperatura. Instrumentación. Aviónica. Vida estable. Normas militares. Comunicaciones de RF. Equipamiento de computadoras. Equipamiento sin atención. Automotores.

Alta performance: Alto costo. Construcción soildada. Resistente a las altas vibraciones. Electrolitos de primera. El más bajo ESR.

--

MIL-C-39018 (polarizado)

CU13 CU16,CU17 CU71,CU81 CU74,CU15

3 – 5 >10 2.000 - 3.000

Equipamiento militar e industrial de tiempo real. Bajas y Altas temperaturas de operación. Requerimiento de impacto y alta vibración. Fuentes conmutables de alta velocidad. Aplicaciones aeroespaciales.

Tabla 2

Esta otra tabla hace referencia a las comparaciones de rango de tensión, temperatura y comportamiento, como guía para evaluar una decisión a adoptar.

- 13 –


Tabla 3

La tabla que a continuación se da corresponde a los valores normalizados de capacitores de

Al. No obstante, las diferencias fábricas ofrecen otros valores de capacidad.

Tabla 4

Las gráficas siguientes dan el comportamiento de la capacidad a 120 Hz con respecto a la

temperatura de la fábrica sprague.

Figura 13

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Y para dichos capacitores, la variación de la resistencia equivalente serie, variación de la impedancia con la temperatura respectivamente.

Figura 14

Algunas consideraciones publicadas por FAPESA sobre los capacitores de Al

Cuando se aplica una tensión continua al capacitor, circula una pequeña corriente de fuga

cuyo valor depende de la tensión aplicada y de la resistencia paralelo Rp. El dieléctrico del capacitor (capa de óxido) que es atacado por el electrolito, se renueva permanentemente debido al proceso electrolítico que provoca dicha corriente, con lo que mantiene el espesor requerido.

Los gases desprendidos se difunden hacia el exterior a través del sello del capacitor. Obviamente, el electrolítico se agota como resultado de este proceso. Tal agotamiento se

manifiesta como un aumento de la resistencia del líquido Rs (ESR). Este proceso determina la vida del capacitor ya que, como se indicó anteriormente, la ESR

es un factor determinante de la utilidad del capacitor como elemento de desacople. La capacidad se verá, además, adversamente afectada al aumentar la impedancia y el

ángulo del pérdidas, debido al aumento de ESR. Aunque esto no es muy evidente a primera vista, puede explicarse si se considera el efecto

de la superficie mordentada del ánodo en la capacidad total. La figura 15 muestra un corte de dicha superficie. Puede observarse que la capacidad total está constituida por varias capacidades parciales, de las cuales las que están en los poros poseen mayor resistencia serie que las que están en la superficie. El circuito de la figura 16 muestra una buena aproximación de esta situación. Si aumenta la resistencia del líquido, algunas de las capacidades parciales pierden efecto, con lo que disminuye la capacidad total.

Figura 15 Figura 16

Resumiendo, puede decirse que el agotamiento de un capacitor en servicio puede

apreciarse por:

1. Un decrecimiento gradual de la capacidad. (aumento de la impedancia a 50Hz)

2. Un aumento de las perdidas.(tg d)

3. Un aumento de la impedancia a 100 KHZ.

- 15 –


FAPESA aconseja, para formar a sus capacitores, después de un prolongado período de uso, además de las resistencias en serie como se ha mencionado en otro párrafo, ir aumentando gradualmente la tensión hasta la nominal para evitar la ruptura de la película de óxido o excesivo calentamiento.

En las figuras 17 y 18 pueden observarse algunas curvas típicas en función del tiempo de los capacitores de Al de FAPESA.

Figura 17 Figura 18

Y las variaciones de impedancia, en función de la temperatura en figura 19.

Figura 19

Vida Útil: De los análisis en los párrafos previos, así como del ensayo de numerosas

unidades surge que: Los capacitores electrolíticos de Al sometidos a temperaturas, apenas por debajo de la

máxima permisible, presentan una más larga vida útil y el cambio en la capacidad es muy pequeña. Los capacitores sometidos a tensiones inferiores a la normal presentan también una mayor

vida útil pero la capacidad aumenta. - 16 –


Puede obtenerse una larga vida útil y capacidad constante operando el capacitor con tensiones y temperaturas ligeramente por debajo de los valores máximos de trabajo permisibles.

Elección de un capacitor electrolítico de Al

Se presentan dos alternativas: Seleccionar un capacitor con una capacidad mayor de la requerida y, aproximadamente, la

tensión de trabajo necesaria. Seleccionar un capacitor que posea, aproximadamente, la capacidad y una tensión de

trabajo mayor. El método b posee considerables ventajas. De la figura 20 a la 23 se presentan varias de las propiedades de nuestros capacitores en

función del tamaño de la cápsula (números crecientes corresponden a tamaños crecientes). La figura 20 muestra la corriente de fuga en función del tamaño de la cápsula.

Figura 20: Corriente de fuga en función del tamaño de cápsula.

a. Tensión constante, capacidad creciente. b. Capacidad constante, tensión creciente.

Figura 21: Vida útil en función del tamaño de cápsula


Figura 22: Tangente del ángulo de pérdida en función del tamaño de cápsula.


- 17 –


La figura 20 a corresponde a capacitores con igual tensión de trabajo y capacidad creciente mientras que la figura 20 b corresponde a capacitores con igual capacidad y tensión de trabajo creciente.

En el primer caso, la corriente de fuga aumenta considerablemente, mientras que en el segundo disminuye, lo que indica que es preferible utilizar un capacitor con una tensión de trabajo mayor que la necesaria.

La figura 21 muestra la vida útil en función del tamaño de la cápsula. Para el caso de capacidad constante y aumento de tensión al afecto es mucho más pronunciado.

Se observa que sigue siendo ventajoso, seleccionar un capacitor con tensión mayor que la requerida.

Lo mismo ocurre con respecto a las pérdidas dieléctricas. La figura 22 muestra que la tangente del ángulo de pérdidas es mucho más pronunciada en el caso en que se mantiene constante la capacidad y se aumenta la tensión de trabajo.

La figura 23 muestra la variación de la impedancia medida a 100 KHz, dado que la impedancia está principalmente determinada por volumen de la cápsula, esta figura es válida para ambos casos: capacidad constante o tensión constante.

Figura 23: Impedancia a 100 Mc / s en función del tamaño de la cápsula.

Se ha comprobado que los capacitores con mayor tensión nominal soportan temperaturas

más elevadas. De esta manera, si se usa un capacitor con una tensión menor a la nominal especificada por el fabricante, se logra una seguridad extra respecto a la temperatura. Síntesis de la serie 122 de Philips

Es un capacitor electrolítico sólido de Al y miniatura encapsulado en epoxi para aplicaciones

industriales y de duración de 4 años en requerimientos rigurosos de telefonía. En los controles hechos en fábrica, después de medir 11 millones por hora, se han

encontrado 5 excedidos en la corriente de fuga.

Figura 24

- 18 –


Condiciones de prueba:

Con temperaturas ambientes de 70°C y 85°C, con tensiones de OV; 0,75 Ur y 1,1 Ur. Siendo "Ur la tensión nominal".

Mediciones:

Todos los capacitores antes del comienzo de las mediciones se los somete 1.000,

10.000, 21.488 y 37.240 horas respectivamente de prueba y se logra medir:

• Capacidad a 100 Hz. • Impedancia a 100 KHz. • Corriente de fuga después de 1 minuto de Ur. Los resultados

logrados lo indican las figuras siguientes.

Figura 25

- 19 –


Figura 26

- 20 –


Figura 27

- 21 –


Figura 28

- 22 –


Figura 29

Tabla 5

- 23 –


Corrientes de Fuga:

La corriente de fuga de muchos capacitores son bajas y estables. La tabla siguiente da resumen después de diferentes horas de funcionamiento. El del grupo 3 que da 3,5 mA a 10.000 horas es el manipuleo incorrecto.

Figura 30

- 24 –


Figura 31

- 25 –

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N. CAPACITORES ELECTROLÍTICOS DE TANTALIO

El tantalio es un elemento de transición que se emplea en lugar del Al para obtener electrodos para capacitores electrolíticos. Con el Tantalio se consiguen más micro faradios por voltio por unidad de volumen que con el Al ya que se logran láminas de Tantalio de un espesor de 0,03 mm en comparación con el espesor de las láminas de Al que son de 0.05 a 0,3 mm.

Las ventajas de los capacitores de Tantalio son:

• Tamaño reducido. (1/20 del tamaño de un capacitor de papel equivalente)

• Menor tolerancia que los de Al.

• Gran estabilidad de la capacidad.

• Baja corriente de fuga.

• Factor de potencia pequeño.

• Larga vida de almacenamiento.

• Larga vida en servicio.

• Margen de temperaturas de –55 a +125°C.

En muchos casos, una o más de estas ventajas pueden compensar el mayor costo de los capacitores de Tantalio y el menor rango de capacidad que el de Al.

Los valores que se pueden producir van desde 0,002 uF hasta 1.000 uF para tensiones de 3 a 600 V. Generalmente, las mayores capacidades sólo se disponen para bajas tensiones. Los de tipo de electrolito sólido presentan tensiones desde 6 a 100 V.

Existen tres tipos de condensadores: Tipo lámina de Tantalio:

Con láminas planas o grabadas se fabrica como los electrolíticos de aluminio con la

configuración polar o no polar y en carcaza hermética y no hermética.

Tipo ánodo poroso sintetizado:

Se fabrica tanto en electrolito sólido o húmedo. El tipo de electrolito húmedo se conoce a nivel internacional como wet - slug type. Es el que tiene mejores características y rendimiento volumétrico.

El electrolito sólido posee una muy larga vida y se producen en tamaño subminiatura y estilo chip.

Tipo de alambre grabado:

Son similares a los de ánodos poroso, se hacen bajos valores de capacidad y tensión para

uso en circuitos miniatura como amplificador- audífono para ayuda a sordos. Los electrolíticos de Tantalio son mejores a los de Aluminio porque el óxido de Tantalio tiene

una extremada estabilidad química y resistencia a la corrosión. Electrolitos fuertes y de baja resistividad pueden emplearse con seguridad en capacitores

de Tantalio.

Capacitores de Tantalio de láminas

Este tipo de capacitor se construye de alambre de Tantalio soldado cada dos láminas de Tantalio. Los alambres se extienden a través de la carcaza sellada y terminan externamente con cobre que es soldable como muestra la figura siguiente.

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Figura 32

Los capacitores de Tantalio de láminas se fabrican cilíndricos y rectangulares. En el sistema

electrolítico se usan inorgánicas disueltas en dimetil formamida o compuestos neutros como el litio clorado o el glicol borato. Como separador del electrolito se usa papel o fibra de vidrio. En los polarizados, una lámina es formada como ánodo, la otra lámina plana es el cátodo. En los no polarizados, ambas láminas son formadas. La particularidad, tanto para los capacitores de lámina de aluminio o tantalio, es que se secan por emanaciones de vapor a través del sellado del elastómero de la carcaza. Estos capacitores no polarizados son útiles cuando pueden aparecer tensiones inversas entre sus extremos, en circuitos de alterna de baja frecuencia. La tabla, al final del capítulo, expresa el comportamiento y características de los capacitores de Tantalio tipo comercial y tipo militar. Cuando se examina la construcción de un capacitor de lámina de Tantalio, se observa que el sellado está hecho con teflón y luego con un elastómero.

El teflón se usa porque es inerte prácticamente a todos los materiales y el elastómero admite ciertas deformaciones por variaciones de temperatura sin destruir el sellado hermético.

El alambre mencionado que rodea a la lámina es para, luego de sacarlo a los extremos donde se le sueldan los terminales de otro metal, que permita soldabilidad con el estaño para su uso.

Además, en el montaje en un circuito hay que tomar las precauciones de no doblar sus terminales cerca de la carcaza porque puede ejercer esfuerzo sobre el teflón y provocar fugas.

Los capacitores de láminas de Tantalio son los únicos capacitores electrolíticos, capaces de operar en límite de continua sin alterna polarización presente. La capacidad de riple se muestra en las figuras siguientes:

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Figura 33

Son curvas de riple, a 60 Hz y 25°C, de capacitores de láminas de Tantalio. En la gráfica (a)

se puede leer el valor de tensión o corriente eficaz permisible directamente. La gráfica (b) determina la corrección para otras frecuencias obtenidas en (a), o sea que hay que multiplicar lo leído en (b) por lo leído en (a).

La gráfica (c) es el factor de corrección para otras temperaturas. Se hace la misma operación (a) por (c) o bien (a) por (b) y por (c).

Lo mencionado es aplicable para la ausencia de polarización de alterna para los tipos no polares y polarizados con alterna para los tipos polares.

Picos de alterna de 150V pueden permitirse si el valor nominal de continua no se excede. La única limitación es I2. R* por efecto de calentamiento.

Los de láminas grabadas (con ácido para dar mayor superficie equivalente) tienen mayor ESR y tienen como capacidad de manejo de alterna, la mitad a los de láminas planas.

La curva característica de variación de la impedancia con la frecuencia.

- 28 –


Figura 34

El factor de corrección para la impedancia a diferentes temperaturas es el siguiente:

Figura 35

Valores típicos de ESR para diferentes encapsulados normalizados, temperaturas,

frecuencias y tensiones se ven a continuación de la fábrica General Electric.

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Figura 36

A. El valor de ESR expresado en ohmios para encapsulado pequeño a 10V se lee

directamente de la curva (a). B. Para obtener el ESR para otras tensiones nominales, multiplicar el valor del paso A por

el factor de corrección de la curva (b). C. Para obtener el ESR para otros tamaños de encapsulado, multiplicar el valor por el paso

A o B, por un factor de corrección desde la tabla.

Capacitores de tantalio húmedos de ánodo sinterizado

Los electrolíticos húmedos de ánodo sinterizados y los de electrolito sólido son similares en su construcción. El ánodo sinterizado y los de electrolito sólido son similares en su construcción.

El ánodo consiste de polvo de Tantalio alto grado de sinterización alrededor del alambre o configuración de lingote y formados a la tensión requerida.

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El ánodo sinterizado es impregnado con ácido sulfúrico o litio clorado líquido y encapsulado en un sólido de plata o cápsula plateada con un sellado hermético con un elastómero.

Nuevo capacitor de tantalio de ánodo sinterizado húmedo se fija mecánicamente dentro de la carcaza para que tenga resistencia a las vibraciones.

Además del elastómero se coloca fibra de vidrio para garantizar que no se produzcan fugas del electrolito.

Algunos tipos comerciales llevan el elastómero y un sellado con epoxi.

Figura 37

Las figuras anteriores muestran las construcciones típicas de los capacitores de tantalio

húmedos con ánodo sinterizados. Cabe señalar que los de carcaza de tantalio, tienen más aptitud para soportar el riple, pero

también su costo es mayor. Estos capacitores no admiten polarización inversa de tensión continua y en alterna deben

operar en la conexión de dos espalda a espalda (back to back) o de lo contrario con adecuada polarización de continua.

La figura siguiente da las condiciones límites de riple.

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Figura 38

La falla común para este tipo de capacitor es la migración de planta o compuesto de plata

junto al encapsulado con el consecuente cortocircuito del ánodo. Esta falla se reduce enormemente con un controlado proceso de fabricación y un adecuado uso en los circuitos con riple.

La figura siguiente muestra la variación típica de la impedancia con la frecuencia.

Figura 39

- 32 –


Los factores de corrección por variación de impedancia a diferentes temperaturas se dan a continuación.

Figura 40

Las variaciones del ESR para diferentes encapsulados, temperaturas, frecuencias y

tensiones.

Figura 41

- 33 –


Capacitores de tantalio sólido de ánodo sinterizado

Es un capacitor miniatura de desarrollo tecnológico superior al anterior. Son de muy larga vida de duración. La degradación de la capacidad con los años y los problemas de corrosión son virtualmente eliminados.

La figuras siguiente muestra que la construcción

Figura 42

Emplea un sólido semiconductor como el dióxido de manganeso o peróxido para conducir la

corriente desde la película de dieléctrico (Ta2 O5) al cátodo que es la carcaza. La barra es formada a la tensión requerida y formando una región de pentóxido de Tantalio (Ta2 O5) como se muestra a continuación.

Figura 43

El ánodo normalmente cubierto con una hoja de carbón y luego plateada con plata o platino-

plata para aumentar el contacto con la estructura del cátodo. La estructura del cátodo consiste en muchas cavidades donde se suelda la barra. Curvas típicas del Factor de Disipación en función de la temperatura se muestran.

- 34 –


Figura 44

Las curvas típicas de variación de la capacidad con la frecuencia.

Figura 45

La variación de la resistencia equivalente serie con la frecuencia.

Figura 46

- 35 –


El Factor de corriente de fuga cuya variación es debido a la tensión aplicada y a distintas temperaturas.

Figura 47

La absorción del dieléctrico para capacitores sólidos de Tantalio de ánodo sinterizado a

25°C.

Figura 48

Para dar estas curvas, el capacitor ha sido cargado durante una hora a la tensión nominal y

descargado en un minuto. La tensión recuperada por absorción del dieléctrico ha sido medida con un electrómetro de

alta impedancia, durante el intervalo de tiempo indicado en el eje de abscisa. El incremento de la temperatura ambiente desplaza a las curvas hacia la izquierda,

disminuyen en amplitud pero conservan la forma. Breves tiempos de carga, grandes tiempos de descarga, resultan una disminución de la

amplitud pico pero es muy pequeña la variación de la forma y la posición de la curva. Las limitaciones de la tensión alterna de riple de los sólidos de tantalio en aplicación de

alterna solamente son, generalmente, un 15% de la tensión nominal a 25°C. Las tensiones de riple deben disminuirse por factores de 0,7 a 50°C, 0,5 a 85°C y 0,3 a

125°C. El decrecimiento de tensión por frecuencia se muestra a continuación.

- 36 –


Figura 49

La tensión inversa está, generalmente, limitada al 15% del valor nominal de continua a

25°C; 10% a 55°C; 5% a 85°C y 1% a 125°C. La impedancia varía con la temperatura desde un factor de 1,1 a –55°C a 0,95 a 85°C.

Variación típica con la frecuencia se muestra.

Figura 50

El decrecimiento de la tensión nominal de los capacitores sólidos de tantalio: pueden operar

continuamente cualquier tensión desde cero a su valor nominal y a máxima temperatura. Trabajando a tensiones menores a la nominal, mejora la confiabilidad. Como consecuencia

de esto no se degradan las características del dieléctrico si, después de un prolongado tiempo de uso en estas condiciones, se retorna al trabajo de su tensión nominal.

Como regla general, para disminuir la probabilidad de falla y aumentar más de tres veces su vida útil, conviene usarlo a la mitad de su tensión nominal a este tipo de capacitor.

A continuación se da un nomograma para obtener el factor de confiabilidad en diversas tensiones y temperaturas.

- 37 –


Figura 51

Transitorios de alta corriente en sólidos de tantalio:

Algunas aplicaciones producen transitorios de altas corrientes que las mediciones

estáticas con instrumentos no alcanzan a predecir el comportamiento bajo estas condiciones.

Los transitorios altos ocurren por cambios abruptos de la tensión entre bornes. El electrodo positivo del capacitor sólido de Ta consiste solamente del metal Ta y no

presenta ningún factor de complicación. Peor el electrodo negativo es un material de una estructura compleja y heterogénea, esto permite razonar que existen puntos resistivos distintos y una gran carga y descarga del capacitor, genera puntos o manchas calientes (hot spots), por encima de la temperatura ambiente. Como normalmente el dieléctrico Ta2 O5 es amorfo, puede cristalizar por estas altas temperaturas, perdiendo la rigidez dieléctrica del proceso de fabricación.

Aplicaciones de sólidos de Tantalio espalda a espalda:

Es un tema que merece un estudio en particular, el conectar back dos capacitores

iguales para obtener una de un valor igual a la mitad y no polarizado que es tratado en un libro por Joseph F. Rhodas.

- 38 –


Figura 52

De acuerdo a la figura podemos sintetizar diciendo que V2 va a depender de la

tensión aplicada V1 y de la historia reciente en el tiempo de dicha tensión porque los capacitores reales tienen una corriente de fuga en polarización directa que es mayor que cero. Y la polarización inversa va a depender la corriente de fuga que circula de la tensión aplicada.

El análisis se comienza por ver a cada capacitor real con un diodo en oposición, ya que es ese el comportamiento de un capacitor polarizado.

Código de colores para capacitores de Tantalio

Los capacitores de tantalio sólido pueden encapsularse en envases cilíndricos, cuadrados o

encapsulado con resina epoxy (moldeados con terminales tipo DIP). Generalmente, en los capacitores viene impreso el valor capacitivo, la tolerancia (mediante

una letra según el código ya visto) y la tensión nominal así como el terminal positivo.

Figura 53

En algunos casos los moldeados con resina epoxy del tipo DIP vienen codificados con un

código de color.

Figura 54

- 39 –


Phillips de los valores en uF y Mallory en pf. Las tolerancias en los capacitores Mallory son: sin círculo + - 20% círculo plateado +- 10% y

círculo dorado +- 5%.

Tabla 6

En cuanto a los valores capacitivos disponibles van 0,0047 a 330 uF con tensiones de 6 a

125 Vcc. Las tolerancias varían de +- 5% a +- 20%. El rango de temperatura se extiende de –80°C a +125°C. En algunos casos (Kemet, por ejemplo) se obtienen valores de 1000 MF.

En consecuencia, se tiene que los capacitores de tantalio son los que presentan mayor rendimiento volumétrico pero se obtienen valores no muy altos de capacidad y tensiones relativamente bajas. Otra de las ventajas de los capacitores de tantalio es la no necesidad de reactivar la película de dieléctrico después de un período de almacenamiento, pudiendo ser este de 10 años.

Código de colores para capacitores miniatura de tantalio:

En estos componentes la capacitancia se da en microfarad .Para el primero y

segundo anillo se aplica el código normal de colores .El punto polaridad /multiplicador esta codificado de la siguiente manera : negro X1;marrón X10;gris X0.01;blanco X0.1. El código de colores para el régimen de tensión es el siguiente :-3V blanco ,6.3V amarillo ,10V negro ,16V verde ,20V azul ,25V gris ,35V rosa .La tolerancia es de +-20%. La polaridad se determina colocando el punto polaridad /multiplicador frente a sus ojos ,con los terminales hacia la derecha .El conductor de arriba será el positivo.

CONSIDERACIONES DE POTENCIA EN ALTERNA PARA LA SELECCIÓN DE CAPACITORES

Generalmente se desprecia el efecto producido por las componentes alternas, éstas producen una degradación de las características por efecto térmico.

En los capacitores de película se suministran los productos Rs. C en función de la frecuencia. Así, una onda de cualquier forma puede descomponerse en sus armónicos y la disipación para cada armónico puede calcularse en forma separada y sumada aritméticamente para obtener la disipación de potencia total estimada.

Para los capacitores cerámicos se suministra el Q o su inversa de donde se puede obtener el producto Rs. C. La resistencia equivalente serie de los electrolíticos se obtiene de igual forma, pero raramente es necesaria porque especifica la corriente de riple.

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El límite de potencia de disipación es, por supuesto, a la máxima que el capacitor puede tolerar. Esta es una función de la estructura interna y del tamaño del envase, lo cual determina el área disponible para disipar la potencia.

La relación aproximada (suponiendo que hay libre covección de aire) entre el área y el aumento de temperatura por sobre la ambiente es:

T alcanzada = 133 (P / A) °C

Donde P = disipación en vatios y A = área de la carcaza en pulgadas cuadradas. Se muestran las curvas características de Rs. C en función de la frecuencia para capacitores de

plástico, del Q en función de la frecuencia para los cerámicos y del Factor de disipación en función de la frecuencia para los electrolíticos.

Figura 55

Como ejemplo para el cálculo de la disipación de potencia tomemos por ejemplo a capacitores de

policabornato y poliéster de Mepco/Electra y tomemos las curvas que dan la máxima disipación de potencia en función de la temperatura. Supongamos un capacitor de 0,33 microfaradios que debe manejar una tensión alterna de 180 V a una frecuencia de 1 KHz con una temperatura ambiente de 50°C.

P = (l2)Rs I = Vca.w .C por lo tanto P = Rs. (Vca2) .(C2) .(w2) .

o también P = (Rs. C) (Vca2) .( w2) . C

Para un KHz la curva de RsC= 5.10-7 ohm - faradio. Sustituyendo los valores resulta:

P = 0,214 vatios

Si un capacitor del grupo A de Mepco se elige, aquellos con curvas de 8 a 12 pueden usarse a 50°C debiendo ser el tamaño mínimo del capacitor 0,374 por 0,8666 por 0,571 pulgadas.

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Figura 56

Figura 57

- 42 –


Cuando no se suministran las curvas del factor de disipación en función de la temperatura, la disipación debe limitarse a un valor que no cause un aumento de temperatura interno por encima del máximo que puede soportar. Algunas estimaciones conservativas para la temperatura de los llamados manchas o puntos calientes es de 100°C para los cerámicos, policabornatos, poliéster y poliéster metalizado; 125°C para los electrolíticos sólidos y de 90°C para los electrolíticos comunes. Otros factores que limitan al nivel de tensión alterna aplicada son, por ejemplo, en los de película se tiene la máxima tensión alterna a una frecuencia que está dada por la rigidez dieléctrica y no por la disipación de potencia.

También limitan la tensión alterna los posibles transitorios, así, por ejemplo, transitorios de 20 a 50 volt / microsegundo pueden causar la ruptura dieléctrica en capacitores de película metalizada.

CONSIDERACIONES DE FRECUENCIA Y TEMPERATURA EN LA ELECCIÓN DE CAPACITORES

Cuando se trabaja en alta frecuencia o con alta temperatura, las especificaciones normales de los capacitores no se mantienen constante. Así, por ejemplo, la capacidad es función de la frecuencia.

Figura 58

Circuito equivalente en altas frecuencias considerados como parámetros concentrados. Este es adecuado para los capacitores electrolíticos hasta los 2º MHz, para los de película hasta los

30 MHz y para los cerámicos hasta los 200 MHz. Por encima de estas frecuencias, al capacitor hay que considerarlo como una línea de transmisión con parámetros distribuidos.

Figura 59

Hay que tener en cuenta que en una línea de transmisión, la velocidad de propagación de la señal a

lo largo de la línea es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del material que separa los conductores del capacitor. Por lo tanto, en capacitores con constante dieléctrica alta, la longitud de onda a una frecuencia dada puede ser 100 veces más corta que un capacitor de aire y la frecuencia a la cual los efectos de los parámetros distribuidos se hacen notar puede ser 100 veces más baja que en un capacitor de aire. La inductancia en serie causa una reducción de la capacidad efectiva al aumentar la frecuencia. Para capacitores cerámicos la disminución de la capacidad es despreciable hasta los 50 MHz. Por encima de ella, la capacidad disminuye gradualmente hasta alcanzar el rango de frecuencia a la cual, debido a las dimensiones del capacitor y a su constante dieléctrica, se manifiestan los efectos de los parámetros distribuidos. Por encima de esta frecuencia, la capacidad cae a cero bruscamente. Las curvas muestran la variación de la capacidad con la frecuencia para distintos tipos de capacitores.

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Figura 60

Algunos capacitores, debido a su elevada inductancia, alcanzan la auto resonancia antes de

alcanzar las frecuencias a las cuales se manifiestan los parámetros distribuidos. Otro elemento ha tener en cuenta es el efecto de la temperatura sobre la resistencia de aislación y

sobre el factor de disipación. Este es la relación de la resistencia equivalente serie a la reactancia equivalente serie a la reactancia capacitiva a una frecuencia y temperatura especificada.

La resistencia de aislación es "a menudo confundida con la resistencia de un capacitor" (Rp). Ambas son iguales sólo en continua. Para operación en alterna, la resistencia Rp es menor. La resistencia de aislación es la relación de una tensión continua especificada aplicada al capacitor

a la corriente que circula por él a una temperatura especificada. La corriente se mide después de que el capacitor se ha cargado a la tensión de prueba. En los capacitores de película se debe medir la corriente después de 2 minutos.

Figura 61

- 44 –

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N. CAPACITORES FIJOS DE PRECISIÓN

Capacitores de aire

Se utilizan como patrones. Los condensadores de aire variables son de uso general y para transmisión. Los patrones de buena calidad poseen una estabilidad de C = 0,01% durante varios años. Responden a distintas leyes de variación y se obtienen valores hasta 5.000 pF cuadrática o lineal. La inmersión en aceite aumenta la capacidad y la tensión de trabajo de 2 a 5 veces.

Capacitores de vacío y de Gas

Son, generalmente, para elevadas tensiones, utilizándose en transmisores de avión,

equipos industriales, etc. Se fabrican hasta 500 pF y con tensiones mayores a 12.000 volt pico. Los de gas alcanzan los 250KV y los de nitrógeno puro pueden emplearse a presiones

superiores a 10 Kg / m2.

CAPACITORES ESPECIALES

Son diseñados para usos específicos tales como capacitores diferenciales, desviadores de fase de estator fraccionario, etc. Los desviadores de fase se usan en sistemas de radar y en sistemas de barrido de alta velocidad mayores del giga hertz. CAPACITORES INTEGRADOS

Se utilizan de dos tipos: El de unión formado a partir del transistor integrado, utilizando los terminales de colector y base. O

sea que utilizan la capacidad colector- base. La capacidad varía con la tensión colector- base y el valor capacitivo obtenido es muy pequeño.

El capacitor de película delgada. Este tipo permite capacidades mayores que el anterior y sin que

sea función de la tensión aplicada, pero su construcción es más costosa y necesita mayor superficie de substrato.

Figura 62

La región n+ es para disminuir la rsc siendo una región muy dopada por el agregado de Arsénico.

Un circuito más simplificado es:

Figura 63

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Capacitor de película. Se logra difundiendo una región n y luego una n+. Para el n+ se aplica una capa delgada de material dieléctrico (SiO2). Finalmente se aplica una película delgada de Al que actúa como segunda armadura del capacitor.

Figura 64

Este tipo de capacitor tiene 2 ventajas principales:

1. C1 es fijo y no es función de la Ccb.

2. El capacitor no tiene polaridad por lo tanto la versión Vco puede ser positiva o negativa.

La capacidad C2 es la capacidad debida al material del substrato y varía con la tensión aplicada. Los valores capacitivos obtenidos varían de 500 a 5000 pF. La capacidad por unidad de superficie

está en el orden de 0,2 a 0,5 pF /mil 2.

CAPACITORES AJUSTABLES: LOS TRIMMER

Los trimmer son capacitores ajustables utilizados especialmente para sintonía de circuitos. Se los encuentra en diversas formas y tamaños.

Existen tres formas de variar la capacidad: cambiando de dieléctrico, variando la superficie de las placas o variando la distancia entre ellas. La primera posibilidad no resulta práctica.

Los Trimmer usan como dieléctrico cerámicas, mica, vidrio, cuarzo, aire o plásticos como el Mylar. De aire

Dentro de este tipo tenemos los Tandem. En realidad éstos son capacitores variables. Están constituidos por un rotor y un estator. El rotor es la parte móvil y consiste en varios discos semicirculares fijados a un eje. El estator es la parte fija y consiste en varios discos semicirculares montados de tal forma que cuando gira el rotor las placas del mismo y del estator se intercalan entre sí. El dieléctrico usado es, por supuesto, el aire y debido a su constante dieléctrica- 1,00- es de gran tamaño. Exhibe, además, la mejor característica, capacidad- temperatura, debido a su relativo valor constante de K en un amplio rango de temperatura.

El valor que caracteriza a estos trimmer es la máxima capacidad obtenible cuando el rotor está totalmente cerrado. En los tandem este valor va de 250 a 500 pF.

En los trimmer de aires va de 2 a 150 pF con coeficientes térmicos de 30+- 150 ppm/°C y con Q mayores a 2.000 a 150 MHz.

Figura 65

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Trimmer cerámicos

Constan de tres partes: el rotor, el estator y el dieléctrico. El rotor consiste en un semicírculo metálico unido a un eje. El estator consiste en una

lámina metálica sobre el cual se deposita una cerámica clase I de bajas pérdidas. Para asegurar buena estabilidad eléctrica los tres elementos deben estar en contacto estrecho. Poseen coeficiente térmica predecible, baja inductancia y bajo costo. El rango de capacidad máxima obtenible va de 1 a 40 pF.

Figura 66

Trimmer de vidrio

Consiste de un cilindro hueco con su cara externa recubierta con un material conductor. O

sea que este cilindro es equivalente al estator en los anteriores Trimmers. El rotor equivalente es un pistón, el cual se introduce en el cilindro. Este cilindro es de vidrio. Al variar la posición del pistón en el interior del cilindro se varía la capacidad. Presenta un rango de variación de capacidad muy pequeño por lo cual sólo se usan donde se necesita un ajuste muy preciso.

Posee capacidad de manejar altas tensiones relativamente grandes pero permite un elevado número de revoluciones (hasta 10.000 ajustes) y son del tipo multivuelta, o sea que para variar la capacidad del mínimo al máximo hay que realizar varias vueltas.

Trimmer de plástico

Son similares a los trimmer de aire, o sea, placas semicirculares separadas por un plástico

en lugar del aire permiten una menor separación entre las placas por lo cual se obtienen mayores valores capacitivos por unidad de volumen y pueden soportar mayores tensiones.

Trimmer de mica

Este trimmer, a diferencia de los anteriores, produce una variación de la capacidad por

variación de la distancia interelectródica. Es, en consecuencia, un trimmer de compresión. Está constituido por una delgada película de mica entre dos placas metálicas de material no ferroso, colocado el conjunto sobre un soporte cerámico. Mediante un tornillo se varía la separación de las placas.

Este trimmer es de bajo costo, tiene buena estabilidad, bajo coeficiente térmico, baja inductancia, bajo factor de disipación y los valore van de 1 a 3000 pF.

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Tabla comparativa de los trimmer

PRIVATED

ieléctrico Rango de C (pf) Q min. a 20Mhz Tensión (v) Rango Temp. (ºC) Tempco

aire 1,3 - 6,0 a 9,0-143

1.500 2.000

700 250

-55 a +85 -55 a +185

45+15 ppm/ºC ±50ppm/ºC

cerámico 1-3 a 7-40 500 100 -55 a +125 a –55ºC:-4,5+14%

a +125ºC:-14+3,4%

vidrio 0,6-1,8 a 1-120

250- 1.500 1.500 -55 a +150 +50 a ±150ppm/ºC

plástico 1-5 a 5-1 150 1.500 1.000 -55 a +85 45 ±15ppm/ºC

mica 1-15 a 1.400- 3.000

150 500 -30 a +85 +(2,5%+0,5pf) -(2,0%+0,5pf)

Tabla 7 COMPONENTES ACTIVOS QUE TIENEN CAPACIDAD

Componentes activos involucran el uso de semiconductores, como término actual, por supuesto, en el pasado, se incluían a las diferentes válvulas en los circuitos electrónicos.

Diodos

El punto de contacto de dos superficies semiconductoras probablemente es el diodo más

básico. Las propiedades eléctricas del diodo son determinas por la forma y la presión de la unión.

Diodo Gunn

Es un diodo para microondas que usa el efecto bulk (recinto, cavidad) que opera en modo de recinto o espacio de cargas limitadas.

El diodo Gunn está basado en el descubrimiento de que cuando al Arseniuro de Galio se lo excita con una tensión continua, genera frecuencias en el espectro de las microondas sin el uso de contactos ohmicos. Tiene una ventaja con respecto al diodo de avalancha porque requiere menor tensión para operar.

Para generar una oscilación es necesario colocar al diodo en una cavidad de frecuencia adecuada.

La figura siguiente muestra las capas que configuran al diodo Gunn en su fabricación.

Figura 67

Diodo Pin

Es una clase de diodo usado para el control de dispositivos tales como atenuadores y llaves.

Básicamente, consiste de una región fuertemente dopada P y una región N separada por una región intrínseca. El material base no tiene ningún tipo de dopado.

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Cuando se lo polariza en forma inversa no existe corriente y entonces se comporta como un capacitor. En polarización directa actúa como una resistencia ohmica de muy bajo valor.

La polarización en aplicaciones de microondas se logra por la incidencia de energía en ese espectro de frecuencias, o bien por una polarización externa de continua.

La figura siguiente muestra el circuito equivalente de un diodo PIN.

Figura 68

Diodo sintonizador varactor

El sintonizador varactor es un dispositivo útil para las aplicaciones de oscilaciones por

cuanto puede cambiar la capacidad de una cavidad de microondas. En las regiones de bajas y medias frecuencias de RF está el diodo de capacidad variable

que se trata a continuación.

Diodo de capacidad variable (Varicap)

En esencia, es la misma función que el Varactor. Se polariza en forma inversa, nunca en forma directa y, en lugar de actuar en el orden de las microondas, lo hace en media y bajas frecuencias de Rf, 510 KHz a 1610 KHz y 150 KHz a 300 KHz, respectivamente.

A título de ejemplo, se toma el BB 112 de Siemens con un rango de alimentación de 1 a 9 V de polarización inversa, que lo hace adecuado para equipos portátiles.

En la aplicación de receptor de radio AM, alimentado con 12 V o un poco menos, donde tiene que cumplir con:

• Máxima tensión de sintonía menor que 10 V. • Máxima capacidad esperada de 440 pF a 540 pF y con relación máxima

/mínima de alrededor 18, permite actuar en el rango de frecuencias requeridas. • La figura siguiente, muestra la respuesta a la polarización inversa aplicada al

diodo BB112 (f = 1 MHz) y a 25°C.

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Figura 69

El diodo mencionado ofrece:

• Coeficiente de variación de la capacidad por temperatura 0,05%/ °C. • Corriente de fuga a máxima tensión de sintonía (tensión inversa/ aplicada) a 12

V es menor que 50 nA a 85°C. • Resistencia serie es menor que 1,5 ohmios cuando se encuentra sintonizado a

1 V causando un mínimo de pérdida de energía del circuito sintonizado. Requerimientos prácticos se deben tener en cuenta para un normal uso del BB112.

• La tensión de sintonía debe ser estable y de pocas variaciones por temperatura. Requerimiento típico exige + - 0,1% para una estabilidad en la Sintonía + - KHz en la banda media.

• La distorsión no lineal causada por este diodo se ve incrementado por un nivel alto de la señal con baja tensión de sintonía. Se aconseja colocar un control de ganancia para prevenir este efecto.

• También para minimizar la distorsión no lineal y la radiación, el oscilador local debe tener un nivel de alrededor de 150 m V y mantenerlo constante a través del rango de sintonía.

• Las capacidades parásitas, debido a otros componentes, y la conexión en paralelo con el diodo de sintonía deben minimizarse.

• Las tensiones de sintonía deben desacoplarse adecuadamente de las frecuencias en juego.

• El resistor de alisado en serie con la tensión de sintonía aplicada al diodo debe ser correctamente elegida en cuanto a la corriente de fuga y la caída de tensión aceptable.

EFECTO DE LA RADIACIÓN EN CAPACITORES

Este último tema que se menciona en los Apuntes tiene el objeto de alertar al usuario de capacitores y considerar un estudio en particular para su uso en presencia de ambientes con radiaciones.

Ellos son:

• Radiación de reactores nucleares. • Radiación de armas nucleares. • Provenientes de máquinas simuladoras de radiación, tal como el ciclotrón,

acelerador lineal, fuentes de rayos X, a generador de neutrones. Estos factores afectan el componente y, por supuesto, sus características nominales se ven

modificadas por la acción de las partículas (protón, neutrón, electrón) o radiaciones electromagnéticas (fotón).

Generalmente, los restos de los productos de la radiación tal como isótopos radioactivos y partículas cargadas, tienen un efecto pequeño o nada sobre los componentes electrónicos.

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