Existen diferentes tipos de condensadores para cubrir la multiplicidad de aplicaciones en que se usan.

Transcripción

1 1 Existen iferentes tipos e conensaores para cubrir la multiplicia e aplicaciones en que se usan. Toos se basan, sin embargo, en estructuras similares basaas en os placas conuctoras separaas por un material ieléctrico. S r ε ε = 0 ε 0 = 8, F/m ε r (agua) = 81 ε r (aceite) = 5 V ε r omportamiento eléctrico t V t q V q V q = = = t V i = aracterísticas e un conensaor Valor capacitivo (F) Tolerancia Tensión nominal Intervalo e temperaturas oeficiente e périas Forma constructiva Valor capacitivo aa tipo e conensaor se fabrica entro e un intervalo eterminao e capaciaes. Valores normalizaos según las series aplicables a las resistencias. Tolerancia e la capacia Son valores típicos: ±10%, ±20%, etc.

2 Tensión nominal (U N ) Máxima tensión e trabajo el conensaor. Riesgo e explosión en caso e no respetarla Se istinguen os valores: Tensión límite permanente (U g ) Máxima tensión continua que puee soportar en rég. pte. Tensión e pico (U p ) Máxima tensión instantánea que puee tolerar. Depene e la rigiez eléctrica (V/m) el ieléctrico. Intervalo e temperaturas Rango e temperaturas e trabajo en el que se garantizan las propieaes inicaas por el fabricante. oeficiente e périas Se efine la tg δ a partir el circuito equivalente el conensaor. real ieal L s R s A B A B Ri L s y R s se eben principalmente a los contactos. R i es consecuencia el ieléctrico El coeficiente e périas es la relación entre la potencia activa y la potencia reactiva en el circuito equivalente con excitación senoial. Despreciano la influencia e L s. P 1 tg δ = = 2 π f R Q 2 π f R i s Trabajano a baja frecuencia, el efecto preominante es el e R i, mientras que a frecuencias elevaas es R s la que omina. tg δ = f (, f, Temp.) 2

3 Forma constructiva Fabricar conensaores que permitan obtener valores e capacia lo más elevaos posible. S = εr ε0 Aumentano ε r. Depene exclusivamente el ieléctrico. Disminuyeno. Limitao por el proceso e fabricación. Aumentano S. Maximizar S sin penalizar mucho el volumen. onensaores variables. = 2 Tenencia a ser sustituios por ioos VARIAP. onensaores electrolíticos e aluminio Una e las armauras está constituia por un líquio conuctor o electrolito. La otra armaura es una lámina e aluminio sobre cuya superficie se crea una capa e Al 2 O 3 que constituye el ieléctrico. Al 2 O 3 ieléctrico Al 2 O 3 Electrolito cátoo () Al ánoo () Al Papel impregnao con electrolito Al 3

4 Los conensaores electrolíticos son los que presentan la mayor relación capacia/volumen. Varios factores contribuyen a ello: La permitivia relativa el Al 2 O 3 es ε r = 10. En los ieléctricos e papel, por ejemplo, se tiene ε r = 5. El Al 2 O 3 tiene una alta rigiez eléctrica ( V/m). Permite usar espesores más finos para soportar la misma tensión. (1,2nm/V con Al 2 O 3 y >6µm/V con papel) El electrolito se aapta a la rugosia e la superficie el ieléctrico. De este moo, la superficie efectiva es mayor (aumenta ). Electrolito S Al 2 O 3 S' > S Aluminio aracterísticas e conensaores electrolítico e aluminio POLARIDAD La lámina e aluminio con la capa e óxio ebe conectarse al polo positivo y la otra, al negativo. Si se invierte la polaria, se prouce un proceso electrolítico que a lugar a un calentamiento y a un esprenimiento e gases que pueen estruir el conensaor. TENSIÓN NOMINAL (U N ) Tensión continua para la que se ha construio el conensaor. Valores normalizaos: 6, TENSIÓN DE PIO (U P ) Máxima tensión que puee soportar puntualmente. Durante 1 minuto (5 veces por hora como máximo) Según IE 3844: U P = 1,15 U N si U N 315V y U P = 1,10 U N si U N >315V 4

5 aracterísticas e conensaores electrolítico e aluminio (cont.) TENSIÓN ALTERNA SUPERPUESTA Valor eficaz e la tensión alterna aicional a la componente continua con la que se puee cargar el conensaor. El valor e cresta e la tensión resultante no ebe superar el valor e la tensión nominal. No ebe aparecer ninguna polaria inversa e más e 2V. v V D V (máx) UN t U A.S. 1 2 ( v () t VD ) = t T aracterísticas e conensaores electrolítico e aluminio (cont.) INTENSIDAD ALTERNA SUPERPUESTA Valor eficaz e la corriente alterna con la que se puee cargar el conensaor. Este valor epene e varios parámetros: 1 2 IA.S. = i () t t tg δ, frecuencia, temperatura, superficie e T refrigeración,... Determina el tiempo e via el conensaor. La via el conensaor epene mucho e la temperatura a que está sometio, y ésta epene a su vez e la potencia que isipa, cuyo valor es.esr I A.S.2. El fabricante suministra gráficas que an iea el tiempo e via e un conensaor. 5

6 aracterísticas e conensaores electrolítico e aluminio (cont.) VARIAIÓN DE LA APAIDAD ON LA TEMPERATURA La capacia e un conensaor electrolítico e aluminio aumenta ligeramente al subir la temperatura. En principio, cuanto menor es la tensión nominal el conensaor, mayor peniente presentan las curvas. 25V nom 10V 16V 20º T aracterísticas e conensaores electrolítico e aluminio (cont.) IMPEDANIA Se consiera el siguiente circuito equivalente: A L S R ESR B Z = RESR j ω LS j ω 1 Se istinguen tres zonas e comportamiento: Z f * A bajas frecuencias el comportamiento es esencialmente capacitivo. * A altas frecuencias, el comportamiento inuctivo es el que preomina. * A frecuencias próximas a la frecuencia e resonancia, la impeancia es R ESR. 6

7 aracterísticas e conensaores electrolítico e aluminio (cont.) Las curvas e impeancia presentan su mínimo tanto más bajo cuanto mayor sea la temperatura. Debio a que la resistencia el electrolito isminuye al subir la temperatura. Z º 0º 20º 85º f Estas curvas se obtienen usano equipos e meia enominaos analizaores e impeancia. onensaores electrolíticos e tántalo Estructura similar a la e los conensaores electrolíticos e aluminio. Usan tántalo para el ánoo en lugar e aluminio. Armaura ánoo Lámina e tántalo. Dieléctrico Ta 2 O 5 generao por oxiación. Armaura cátoo Electrolito (sólio, como MnO 2, o líquio en forma e ácio muy conuctor). ontacto con el cátoo En general, Ag. Ag contacto Electrolito cátoo () Ta 2 O 5 ieléctrico Ta ánoo () 7

8 aracterísticas e conensaores electrolítico e tántalo POLARIDAD La lámina e aluminio con la capa e óxio ebe conectarse al polo positivo y la otra, al negativo. Los conensaores e electrolito sólio pueen soportar cierta tensión inversa inicaa por el fabricante. Amiten conexión back to back. No aplicable a conensaores e tántalo electrolito líquio /2 átoocátoo onensaores el mismo valor y e la misma tensión inversa. Ánooánoo El El conensaor conensaor resultante resultante carece carece e e polaria polaria aracterísticas e conensaores electrolítico e tántalo (cont.) IMPEDANIA A L S R Dieléc B (R = R ESR S R Dieléc. ) Emplean electrolitos e alta conuctivia. Presentan baja resistencia serie. R S Los electrolitos secos presentan mejor comportamiento. El MnO 2 tiene una conuctivia muy alta y poca epenencia e la temperatura Electrolito húmeo (ácio) 20º 85º 20º 0º 10 3 Electrolito 10 2 seco (MnO 2 ) º 0º 85º Los conensaores electrolíticos e tántalo sólio son los conensaores electrolíticos e menor resistencia serie. Aemás, su curva e impeancia no se ve muy moificaa ante cambios e temperatura

9 onensaores cerámicos Materiales cerámicos con elevaa constante ieléctrica. TiO 2 ε r 100 Añaieno BaO se obtiene BaTiO 3 ε r Hay os tipos e materiales cerámicos: erámica NDK (lase 1) ε r = tg δ = 1, = α c T (α c = cte) erámica HDK (lase 2) ε r = tg δ = (5,0 7,5) 10 3 Depenencia no lineal e la capacia con la temperatura Los materiales cerámicos e lase 1 presentan menos périas. Al tener mayor ε r, los materiales cerámicos e lase 2 permiten obtener la misma capacia en menos volumen. aracterísticas e conensaores cerámicos Los valores más relevantes son α c y tg δ. erámica NDK (lase 1) Se usan en circuitos en los que no se imponen especificaciones exigentes a la estabilia y a las périas (acoplamiento y filtrao, por ejemplo) onensaores OG (NPO) α c = (0±30) 10 6 K 1 (55º 125º) Muy estables y con pocas périas. erámica HDK (lase 2) Variación espreciable e con la tensión y la frecuencia. Para circuitos one se requiere périas mínimas y estabilia. onensaores X7R = 15% en el rango 55º 125º. Envejecimiento: isminución el 2% por écaa temporal. tg δ < Alta ensia e encapsulao. onensaores Z5U = 22% 56% en el rango 10º 85º. Envejecimiento: isminución el 5% por écaa temporal. tg δ < Máxima ensia e encapsulao. 9

10 onensaores e plástico metalizao Hay varios tipos. Se esignan como sigue: MKT Tereftalato e polietileno MKP Polipropileno MK Policarbonato MK Acetato e celulosa (laca) Formaos por capas e plástico sobre las que se epositan, por evaporación al vacío, capas metálicas que sirven e armaura. apas metálicas muy finas (0,02 a 0,05µm) comparaas con el espesor el ieléctrico (3µm para 100V, 8µm para 400V,...). Metal (armaura) Plástico (ieléctrico) aracterísticas e conensaores e plástico metalizao FAULTAD AUTORREGENERATIVA Si se perfora el ieléctrico en un punto con elevao graiente e potencial, aparece un arco eléctrico que genera una energía térmica capaz e vaporizar el metal existente en torno al arco. De esta forma, aemás e extinguir el arco, se aísla el punto eteriorao el ieléctrico (y el conensaor sigue operativo). La superficie metálica implicaa en el proceso e autorregeneración es tan pequeña que la variación e capacia es prácticamente espreciable. Sólo una pequeña fracción e la energía almacenaa en el conensaor es isipaa urante este proceso, que ura únicamente unos 10µs La faculta autorregenerativa (selfhealing) es exclusiva e los conensaores e plástico metalizao. Hay conensaores e plástico (film/foil capacitors) cuyas armauras son láminas e aluminio e unas 6µm, emasiao gruesas para ser vaporizaas puntualmente ante un arco. 10

11 aracterísticas e conensaores e plástico metalizao (cont.) VARIAIÓN DE LA APAIDAD ON LA TEMPERATURA Esta variación no es lineal, aunque entre 20º y 70º se puee consierar que sí lo es. En cualquier caso, la variación e la capacia con la temperatura epene mucho el tipo e ieléctrico empleao. / (%) MKL MKT MK MKY MKP T (º) IMPEDANIA Determinaa a partir el circuito equivalente genérico. L S es bastante pequeña ebio a cómo se hacen los contactos. onensaores e bajas périas onensaores e plástico (no metalizao) con poliestireno como ieléctrico y Al o Sn como armaura. Serie KS. En Europa se conocen como conensaores styroflex. Tratamiento térmico urante fabricación que hace encoger la lámina e plástico. Esto les confiere estanqueia protección frente a humea. Tienen un coeficiente e temperatura constante y negativo. Aplicación típica en circuitos oscilantes junto con bobinas e ferrita (que tienen un coeficiente e temperatura negativo) para conseguir una frecuencia e resonancia prácticamente constante. L 1 fr = 2 π L = α T ; L = α 1 2 T f R cte 11

12 Selección e conensaores La elección el tipo e conensaor epene e la aplicación. onensaores electrolíticos Sólo soportan tensión continua. Debio a su polaria. Valores e <1µF hasta >1F con tensiones e hasta 450 ó 600V (aluminio). Los e tántalo ofrecen cientos e µf hasta 100V y varios miles e µf con bajas tensiones (6 10V). Se usan en circuitos en los que se necesita un valor e capacia elevao y que trabajan a baja frecuencia (f<100hz). Son los que presentan la mayor relación capacia/volumen, pero presentan una elevaa resistencia serie. Los e tántalo son mejores que los e aluminio, pero tienen valores más bajos y suelen cortocircuitarse en caso e fallo. onensaores electrolíticos (cont.) Aplicaciones típicas. Filtros e baja frecuencia. v 220V ef t ircuitos e almacenamiento e energía. 1 2 V R L Flash e fotografía 1 W = V

13 onensaores electrolíticos (cont.) Aplicaciones típicas (cont.). Acoplamiento e señales. V cc v A A v s v e v s Otros circuitos e meia y regulación. onensaores cerámicos Son buenos aislantes térmicos y eléctricos. Se usan en circuitos en los que se necesita alta estabilia y bajas périas en alta frecuencia. Por su estabilia ircuitos oscilaores. con la temperatura. Filtros pasivos y activos e frecuencias meias y altas. Aprovechano su baja ESR y buena respuesta en frecuencia. Bajos valores e capacia. De 1pF a 1nF en lase 1 y e 1pF a 470nF en lase 2 con tensiones comprenias entre 3V y 10kV. Se pueen conseguir valores más elevaos acuieno a conensaores cerámicos multicapa (ML). 13

14 onensaores e plástico metalizao Los MKT no estacan en naa, pero son suficientemente buenos en muchas cosas (bajo coste, pequeño tamaño,...) como para que constituyan una buena elección en aplicaciones no críticas. Los valores e los conensaores MKT van ese los 10nF hasta valores superiores a los 10µF. Preferiblemente usaos en aplicaciones e o e A con poca corriente y frecuencia relativamente baja. Debio a su elevao factor e isipación. Se puee ecir que, en general, se usarán los conensaores MKT en aquellas aplicaciones en las que se necesiten valores más elevaos que los que ofrecen los conensaores cerámicos e lase 1 pero con mejores propieaes que los conensaores cerámicos e lase 2. onensaores e plástico metalizao (cont.) Los MKP tienen un factor e isipación bajo en too el rango e temperatura y en un elevao rango e frecuencias. Esto les hace muy utilizaos en aplicaciones e alta frecuencia y alta corriente (como fuentes conmutaas, por ejemplo). Filtrao a alta frecuencia. Suele colocarse en paralelo con un conensaor electrolítico para que éste filtre la componente e baja frecuencia. Rees e protección e semiconuctores. 14

15 onensaores e plástico metalizao (cont.) Los conensaores MKP también suelen utilizarse en integraores y en circuitos e captura y retención (sample an hol). Los valores e los conensaores MKP cubren el rango que va ese los 100pF a los 10µF aproximaamente. En general, los MKP tienen mejores características que los MKT salvo en lo que se refiere a la eriva térmica y a la resistencia al calor. Los MKP aguantan hasta 105º, mientras que los MKT llegan a alcanzar los 125º. Resumen (I) lase y tg δ apacia U N (V) Aplicación Electrolíticos e Al tg δ = (60 150) 10 f=100hz Electrolíticos e Ta tg δ < (50 80) 10 f=120hz erámicos lase 1 tg δ < 1,5 10 > 50pF 470nF 390mF 6, nF 1,2mF pF 47nF Filtro, acoplamiento, bloqueo, aplanamiento e onulaciones, almacenamiento e energía. omunicaciones, meia y regulación. Aplanamiento y acoplamiento. onensaor en pastilla para circuitos híbrios. Oscilaor estabilizao en frecuencia para compensación e temperatura. Filtro, alta tensión, impulsos, pastilla. 15

16 Resumen (II) lase y tg δ apacia U N (V) Aplicación erámicos lase 2 tg δ = (25 30) pF 2,2µF Filtrao, acoplamiento; conensaor e alta tensión, impulsos, en pastilla. MKL tg δ = (12 15) 10 f=1khz MKT tg δ = (5 7) 10 f=1khz MK tg δ = (1 3) 10 f=1khz 33nF 100µF pF 10µF 63 12,5k 1nF 1µF Para corriente continua y para aplicaciones e alterna superpuesta. Aplanamiento, esacoplo y acoplamiento. Muchas formas constructivas. Resumen (y III) lase y tg δ apacia U N (V) Aplicación MKP tg δ = 0,25 10 f=1khz 1,5nF 4,7µF k Etapas e eflexión en televisores, fuentes conmutaas. MKY tg δ = 0, 5 10 f=1khz KS (styroflex) y KP tg δ = (0,1 0,5) 10 f=1khz 100nF 10µF 250 2pF 100nF Aplicaciones en circuitos oscilantes. onensaores para circuitos oscilantes en circuitos e sintonía e frecuencias, acoplo y esacoplo e alto aislamiento, técnica e miniaturización. onensaores e bloqueo. 16

17 Simbología normalizaa onensaor genérico onensaor con polaria onensaor variable onensaor ajustable Lectura el valor e un conensaor Los electrolíticos tienen escrito su valor claramente. uano el tamaño es menor, se recurre a una notación e tres ígitos (os cifras significativas y un multiplicaor). El sentio común inicará Las uniaes son pf o µf. si son pf o µf (según tamaño) Las letras que acompañan a este valor inican la tolerancia. OJO!! K inica ±10% (no 10 3 ) y M inica ±20% (no 10 6 ). 17