capacitores_parteii

7/21/2019 capacitores_parteII

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UNIVERSIDAD TECNOLGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL MENDOZA

DEPARTAMENTO DE ELECTRNICA

CTEDRA DE TECNOLOGA ELECTRNICA

CAPACITORES PARTE II

PROFESOR TITULAR: ING. ADOLFO F. GONZLEZ

PROFESOR ADJUNTO: ING. RICARDO M. CESARI

AYUDANTE TRABAJOS PRCTICOS: ING. RUBN O. VICIOLI

2009


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TECNOLOGA ELECTRNICA F.R.M. - U.T.N.

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NDICECAPACITORES ELECTROLTICOS ________________________________________________________ 3

Polarizacin de los capacitores __________________________________________________________ 4Capacitores polarizados: _____________________________________________________________ 4Capacitores semi polarizados: _________________________________________________________ 4Capacitores No polarizados: __________________________________________________________ 4

Electrolitos secos y hmedos ___________________________________________________________ 4Tensin Nominal _____________________________________________________________________ 6Riple ______________________________________________________________________________ 7Corriente nominal ____________________________________________________________________ 7Corriente de prdida o fuga _____________________________________________________________ 8Efecto Trmico ______________________________________________________________________ 8Prdidas ___________________________________________________________________________ 9Condiciones de prueba ________________________________________________________________ 9

CAPACITORES ELECTROLTICOS DE ALUMINIO __________________________________________ 10Calificacin de los capacitores de Al _____________________________________________________ 12Algunas consideraciones publicadas por FAPESA sobre los capacitores de Al ____________________ 14 Eleccin de un capacitor electroltico de Al ________________________________________________ 16Sntesis de la serie 122 de Philips _______________________________________________________ 17

Condiciones de prueba: _____________________________________________________________ 18Mediciones: ______________________________________________________________________ 18Corrientes de Fuga: ________________________________________________________________ 23

CAPACITORES ELECTROLTICOS DE TANTALIO __________________________________________ 25Capacitores de Tantalio de lminas _____________________________________________________ 25Capacitores de tantalio hmedos de nodo sinterizado ______________________________________ 29Capacitores de tantalio slido de nodo sinterizado _________________________________________ 33

Transitorios de alta corriente en slidos de tantalio: _______________________________________ 37 Aplicaciones de slidos de Tantalio espalda a espalda: ____________________________________ 37

Cdigo de colores para capacitores de Tantalio ____________________________________________ 38Cdigo de colores para capacitores miniatura de tantalio: __________________________________ 39

CONSIDERACIONES DE POTENCIA EN ALTERNA PARA LA SELECCIN DE CAPACITORES ______ 39CONSIDERACIONES DE FRECUENCIA Y TEMPERATURA EN LA ELECCIN DE CAPACITORES ___ 42CAPACITORES FIJOS DE PRECISIN ____________________________________________________ 44Capacitores de aire __________________________________________________________________ 44

Capacitores de vaco y de Gas _________________________________________________________ 44CAPACITORES ESPECIALES ___________________________________________________________ 44CAPACITORES INTEGRADOS __________________________________________________________ 44CAPACITORES AJUSTABLES: LOS TRIMMER _____________________________________________ 45

De aire ____________________________________________________________________________ 45Trimmer cermicos __________________________________________________________________ 46Trimmer de vidrio ____________________________________________________________________ 46Trimmer de plstico __________________________________________________________________ 46Trimmer de mica ____________________________________________________________________ 46

COMPONENTES ACTIVOS QUE TIENEN CAPACIDAD _______________________________________ 47Diodos ____________________________________________________________________________ 47Diodo Gunn ________________________________________________________________________ 47Diodo Pin __________________________________________________________________________ 47Diodo sintonizador varactor ____________________________________________________________ 48Diodo de capacidad variable (Varicap) ___________________________________________________ 48

EFECTO DE LA RADIACIN EN CAPACITORES ____________________________________________ 49BIBLIOGRAFA _______________________________________________________________________ 50


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CAPACITORES ELECTROLTICOS

Muchos filtros de baja frecuencia, temporizadores de tiempos grandes, acoplamiento ydesacoplamiento, de by pass (circuitos auto polarizados) requieren de grandes capacidades y pequeovolumen.

El capacitor electroltico cumple con estos requisitos, por ser los capacitores de ms altorendimiento volumtrico, y de menor costo por microfaradio. Se puede agregar que en algunos casosespeciales se reemplaza en forma directa a un capacitor de este tipo por uno del tipo electrosttico.

En la actualidad, se estn construyendo capacitores electrolticos con vida til de alrededor de 20aos.

Los capacitores electrolticos se caracterizan por las diferentes construcciones.El material dielctrico de un capacitor electroltico consiste en la formacin de un xido de material

andico (siendo el anodizado un proceso electroltico), con lo cual es el electrodo positivo del capacitor.Los metales ms empleados son el Aluminio y el Tantalio pero, adems, se est usando el Titanio,

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

Figura 1

Cuando se usa el Aluminio, el dielctrico es un xido de combinacin cristalina y amorfa (gamma)cuya frmula bsica es Al 2 O 5. Cuando se usa Tantalio, el xido es Ta 2 O 5 (pentxido).En el siguiente dibujo se describe un capacitor electroltico miniatura perteneciente a la serie C426 AR/ deFAPESA. Sus dimensiones son 6, 7 mm de dimetro y 18,5 mm de longitud.

Figura 2

Estos xidos pueden ser "formados" por la conexin del material de nodo como electrodo positivoen una celda electroltica que contenga una solucin de fosfato o borato. El electrodo catdico, usado en el


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proceso de formacin, normalmente es cobre o nquel. Algunas fbricas utilizan de ctodo aluminio, estaoo acero inoxidable.

La tensin continua aplicada al sistema oxida al nodo de aluminio o Tantalio, lo cual produce una"capa de bloqueo" con las caractersticas requeridas. Esa pelcula de xido es porosa.

La capacidad por unidad de superficie resultante depende del espesor de la pelcula y esproporcional a la tensin aplicada para formarla.

En resumen: la corriente de polarizacin "directa" de una pelcula de xido es caracterizada por unaalta resistencia de aislacin y la corriente "inversa" de polarizacin se caracteriza por una baja resistenciade aislacin (fenmeno equivalente e inverso a la de un diodo semiconductor).

La corriente "inversa" puede no daar al capacitor, siempre y cuando no se produzcan excesos decalentamiento interno. Esto es probable que ocurra con nodo sintetizado hmedo de Tantalio, que provocauna migracin de molculas desde el ctodo al nodo. La corriente inversa de seales alternas. Las sealesalternas de mayor frecuencia producen mayor calentamiento.

En el caso de aluminio, la tensin de formacin de fbrica est alrededor de 754 V por cadamicrmetro de espesor, tan pronto como el campo elctrico disminuye por debajo de 700 V/ micrmetro,cesa el transporte de iones y el proceso se detiene.

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

El rango del espesor del xido oscila entre 11 y 15 A / V aplicado. En el caso del Tantalio es de 16

y 20 A / V y tensin de formacin no ms de 500V.La constante dielctrica efectiva del xido de aluminio puro es de 8,4 y para el xido de Tantalio es de 28. Sila pureza de estos materiales es baja, la constante dielctrica disminuye enormemente.En el caso de FAPESA, el aluminio es de un grado de pureza de 99,998 %.

Polarizacin de los capacitores

Los capacitores electrolticos de Al y Ta, en la actualidad, se fabrican polarizados, semipolarizados y no polarizados.

Capacitores polarizados:

Esta es la configuracin ms comn y tiene una pelcula de xido formada

solamente en una de las placas llamada nodo o terminal positivo.Si a este tipo de capacitor se lo trabaja en continua adecuadamente con alternasuperpuesta, no sucede nada, siempre y cuando la tensin alterna en los picos negativossupere al valor de continua y lo deje polarizado en forma inversa de manera de poner actodo del capacitor positivo con respecto a nodo. En estas condiciones se trata de formartambin la placa de ctodo y como resultado disminuye el valor de la capacidad (como si sefabricara un nuevo capacitor en serie).

Por lo comentado, se deduce que las aplicaciones para este tipo de capacitor es encircuitos de continua (potencial unidireccional), con un mximo de riple especificado.

Capacitores semi polarizados:

Este tipo es similar al anterior, excepto que en el ctodo se le ha formado una

pelcula delgada para minimizar el efecto de la tensin inversa.Estos capacitores se usan en circuitos donde se especifica un potencial de continua

que puede cambiar de polaridad por ciertos perodos de tiempo.

Capacitores No polarizados:

El diseo de este tipo tiene igual espesor de pelcula de xido en nodo y ctodo, loque lo hace til en alterna. Pero teniendo en cuenta que la frecuencia sea baja ya que casocontrario hace aumentar la temperatura debido al factor de potencia y la corriente de fuga.

Aqu tambin el valor de alterna debe ser menor al de continua, con excepcin deciertos tipos de hoja de Tantalio.

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

Electrolit os secos y hmedos

Los capacitores electrolticos se producen en dos estilos bsicos.


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El nodo sinterizado o estilo esferoide con electrolito hmedo o seco se usa exclusivamenteen los Tantalio.

El estilo lmina tambin incluye a los de Aluminio con electrolito hmedo, seco o en pasta.Los de lmina tienen mayores caractersticas de capacidad, temperatura, pero tienen una

significativa disminucin del rendimiento volumtrico.Los de Tantalio esferoide y los de Aluminio de lminas hmedos 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 elastmero, a efectos de protegerlos delsobrecalentamiento que desprende gases y ejerce presin interna.

Los capacitores electrolticos secos se caracterizan por una elevada resistencia equivalenteserie (ESR) pero admiten ser sellados hermticamente y su aplicacin es ptima para equiposmilitares, donde el peligro de fuga del electrolito no puede ser tolerado. Adems, tienen mayorperodo de vida que los hmedos. El circuito equivalente de un capacitor con electrolito hmedo esel siguiente de la serie FAPESA.

Figura 3

Ca: es la capacidad del nodo.

Rp: es la resistencia de aislacin.

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

Rel: es la resistencia serie del electrolito y papel.

Ls: es la inductancia serie total.

Llamaremos adems 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 prdidas (tg = 2 . 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 elfiltrado de fuentes de alimentacin con corrientes de "riple" de baja frecuencia, la capacidad, lasprdidas son parmetros muy importantes.

Sin embargo, en la actualidad se utilizan, adems, los capacitores electrolticos paradesacoplamiento en un rango de frecuencias. En estos casos es la impedancia, ms que lacapacidad, la que decide un buen o mal comportamiento del capacitor. Debe recordarse que laimpedancia vara con la frecuencia. Para el circuito serie indicado, la impedancia z est dada por:

2

S2

lc

1RZ

+=

Esta expresin puede simplificarse para algunas frecuencias determinadas, en efecto:

Para 50 Hz; Z 1 / cPara 100 KHz; Z RelPara 10 MHz; Z L s

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

presenta un valor mnimo que est principalmente determinado por la resistencia serie del electrolitolquido (Rel).En la figura siguiente se muestran curvas tpicas de impedancia en funcin de la frecuencia

para capacitores de distintas dimensiones, por ejemplo la curva 4 corresponde a un capacitor de12,5 mm de dimetro por 30 mm de longitud.


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Figura 4

Una consideracin prctica para obtener un capacitor electroltico no polarizado es colocardos capacitores electrolticos polarizados en serie y espalda a espalda (back to back) con valordoble de capacidad al deseado.

2

CCeq =

Este nuevo capacitor vara su valor con la tensin aplicada. Lo aconsejable son los detantalio para minimizar la corriente de fuga.

Tensin Nominal

El espesor de la lmina de xido determina la mxima sobre tensin y la tensin continuanominal que puede aplicarse.

Figura 5

Cada capacitor tiene una sobre tensin nominal que es mayor que la tensin de continua

nominal. Esta sobre tensin es la mxima tensin que puede soportar el capacitor bajo cualquiercondicin, la cual no debe ser aplicada en forma continua. Esto incluye los territorios y los picos deriple. Es la tensin que se puede aplicar al capacitor, en serie con un resistor especificado paralimitar la corriente durante un mximo de 30 segundos u otro tiempo especificado antes de aplicarde nuevo esta sobre tensin.


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Una tensin excesiva o combinacin de tensin y sobrecalentamiento puede provocar laruptura de la capa de xido. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, al aplicarle una nueva tensin,el electrolito formar una nueva capa de xido sobre los electrodos haciendo que la pelcula seregenere.

Esto, en muchos casos, es indeseable dado lo difcil que resulta en este caso encontrar estafalla intermitente.

Riple

Los factores que afectan al riple que puede superponerse a la tensin continua son losniveles de tensin, de corriente, de frecuencia y de temperatura.

La limitacin de tensin especificada por los fabricantes puede calcularse de la siguienteforma:

1. La suma de la tensin pico alterna de riple y la tensin continua aplicada no debeexceder el lmite de tensin continua nominal especificada.

2. La suma del pico del hemicidio negativo de la tensin alterna de riple y la tensincontinua aplicada no deber exceder a la mxima tensin inversa especificada.

3. El valor eficaz a 120 Hz de la tensin suma de los tem 1 y 2 debe ser igual o menor que

el valor eficaz obtenido de multiplicar la mxima corriente de riple especificada por laresistencia equivalente serie especificada.

La mxima corriente de riple est limitada por la capacidad del condensador de disipar elcalor generado debido a la corriente de prdida de continua y al valor eficaz de corriente alterna.

La corriente de riple es especificada por la mayora de los fabricantes a 120Hz y al mximode temperatura de trabajo y de all hacer las consideraciones para cada caso en particular.

Figura 6

Corriente nominal

Los capacitores electrolticos, adems de la corriente nominal de riple, tienen un mximoadmisible de carga y descarga de corriente nominal. Excesiva corriente puede causar quemadurasinternas de las placas o posible rotura. En general, deben hacerse pruebas cuando la corriente picode carga excede 1 A.

Los capacitores electrolticos no polarizados, usados para arranque de motores, se disean

para 20 maniobras de arranque por hora. Con cada encendido de mxima duracin de 3 segundoso 60 de 1 segundo cada uno. En aplicaciones que se requiere larga vida til, la temperatura decpsula del capacitor no debe exceder de 60C.


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Corriente de prdida o fuga

La corriente de prdidas es la corriente continua que circula a travs del condensador,siendo la magnitud de esta corriente funcin de los materiales usados y de su pureza, del espesorde la pelcula de xido, de la resistividad del electrolito, de la tensin aplicada, del rea de laslminas y de la temperatura de trabajo. En general, los capacitores electrolticos poseen una pobre

caracterstica de temperatura. Al aumentar la temperatura, aumenta la corriente de fuga o prdidas,dando por resultado una disminucin de la tensin de ruptura. Esto es debido a que un aumento dela temperatura produce un aumento de la corriente de fuga, lo cual, produce una realimentacinpositiva llamada escape o fuga trmica.

Esta da como resultado una destruccin de la pelcula de xido. La corriente de prdidaaumenta con la capacitancia, la tensin y la temperatura.

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

Figura 7

Efecto Trmico

Los capacitores electrolticos varan en forma apreciable con la temperatura su valorcapacitivo. La caracterstica de variacin de la capacidad con temperatura, mientras que los deTantalio, en el rango de temperaturas de trabajo, tienen una variacin del 20% de valor capacitivode 55C. A estas temperaturas, los electrolitos presentan un factor de potencia alto por lo cualpuede producirse por efecto de corrientes de prdidas un sobrecalentamiento interno del capacitorque da por resultado una variacin 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 elequipo y dejar un tiempo en funcionamiento para que se logre la estabilizacin de la temperatura.En la regin de bajas temperaturas, las altas frecuencias producen una variacin de la

capacidad con la temperatura mayor que a bajas frecuencias.A bajas temperaturas, las caractersticas de capacidad- temperatura hay que tenerlas en

cuenta en los capacitores de Al debido a que, al aumentar hasta 25C, la capacidad aumentadisminuyendo el factor potencia. A temperaturas an mayores, el factor de potencia puede de nuevoaumentar, produciendo inestabilidad trmica con el riesgo de destruccin del capacitor por escapetrmico.

A altas temperaturas, el efecto de la frecuencia sobre la variacin de la capacidad no es tanapreciable como en bajas temperaturas. La capacidad, en este caso, decrece y el factor de potenciaaumenta al aumentar la frecuencia.

Los capacitores de Al se desarrollan para una operacin adecuada a una tensin reducida

hasta 150C durante 2000 horas. Pero para larga vida se recomienda como temperatura mxima los85C y, para propsitos generales, se recomienda no superar los 65C.

Los capacitores de tantalio se desarrollan para trabajar a una tensin reducida y hasta unatemperatura de 175C siendo el lmite inferior los 55C.


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Prdidas

En los capacitores electrolticos, la resistencia serie equivalente (ESR) es normalmenteespecificada como una definicin de prdida en el capacitor.

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

Esto incluye las prdidas en el dielctrico: prdida en la pelcula de xido: resistencia decontacto 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 est presente una tensin alterna con la continua de polarizacin, lapotencia total a disipar por el capacitor es la suma de la potencia debido a la corriente c. C. de fugay los volt - amper debido a la corriente alterna. Debe tenerse precaucin en esta medida, debido aque la tensin de polarizacin afecta el resultado del Factor de Potencia.

La figura de mrito que se utiliza para evaluar las prdidas en el capacitor electroltico es elPM , que es la relacin de Xc/ ESR.

Normalmente los capacitores se miden polarizados en un puente de alterna a 120 Hz. Sinsuficiente tensin continua de polarizacin, el potencial de alterna debe ser pequeo para prevenirla formacin de xido en el ctodo y de esta manera modificar el valor de la capacidad.

Condiciones de prueba

Medicin de la corriente de prdidas: para medir la corriente de prdidas se debe

acondicionar primeramente el capacitor aplicndole la tensin de continua nominal a travs de unaresistencia en serie de 1 Kohm durante 30 minutos a 24 horas y no ms de 48 horas para los de Al yde 5 minutos para los de tantalio antes de medir la corriente de prdidas.

Despus del pre acondicionamiento, se aplica la tensin nominal de continua al capacitorcon una resistencia serie limitadora y un miliampermetro. La formacin de la pelcula de dielctricose produce dentro de los 60 segundos. La corriente de prdida se mide al cabo de 5 minutos conuna precisin de + - 5% para los de Al y del + - 2% para los de Ta. La corriente media en ningncaso debe superar a la especificada por el fabricante.

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

medicin de la capacidad.Medicin de la impedancia: Esta medicin debe hacerse a bajas temperaturas o a la de

trabajo. Se debe medir a 120 Hz usando cualquier mtodo que de una exactitud de por lo menos + -

2,5%. La tensin alterna aplicada debe ser tan pequea como sea posible y debe aplicarse duranteintervalos cortos a fin de evitar tensiones inversas excesivas y sobrecalentamiento del capacitor.Antes de hacer la medicin debe dejarse que el capacitor alcance la estabilidad trmica, la cual sealcanza cuando no se observa variacin de la impedancia entre dos mediciones tomadas aintervalos de 15 minutos.


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Las caractersticas de la pelcula dielctrica son:

Metal Densidad Oxido principal Cte. dielctrica Espesor A / VAl 2.7 Al2 O3 8 13.5Ta 16.7 Ta2 O5 27.6 17

Tabla 1

CAPACITORES ELECTROLTICOS DE ALUMINIO

El electrolito usado comnmente es cido brico disuelto en glicol para formar una masa pastosa deresistividad media. Este electrolito empapa una lmina separadora de algn material absorbente como gasa,celulosa no fibrosa o papel de alta pureza como el Kraft. Este separador sirve para mantener el electrolito enel espacio Inter. electrdico y para evitar el contacto fsico entre las placas positiva y negativa.

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

Otros tipos de electrolitos se deben usar para aumentar el rango normal de trabajo y disminuir laimpedancia a altas frecuencias. Las placas positivas (nodo) usadas son lminas planas normales olminas estampadas dependiendo del valor de capacidad deseada. Estas se someten a un proceso especialde formacin electroqumica que la cubre completamente con una pelcula de xido extremadamente

delgada. La naturaleza y el espesor de esta pelcula dependen de su tensin nominal y de la capacidaddeseada.

Las placas grabadas se obtienen mediante un proceso que pone spera la superficie de la lmina(etched) y aumenta su rea efectiva y, por lo tanto, su capacidad. As pueden obtenerse grandescapacidades para muy bajas tensiones, llegndose a obtener capacitores de 1F a 5V. Este tipo de capacitores popular en el diseo en baja tensin de fuentes estables de altas corrientes para computadoras.

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

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

de Al que acta a la vez de blindaje.En general, los capacitores electrolticos de Al presentan un rendimiento volumtrico 6 veces mayor

a los de papel para igual valor capacitivo e igual tensin.

Para tensiones menores a 100 V el rendimiento es mucho mayor.En el caso de colocarse en serie para filtrar alta tensin es necesario colocar resistencias en

paralelo con ellos a fin de hacer que la tensin aplicada a cada uno de ellos sea igual. De otro modo, lacada de tensin puede que no sea igual, debido a que presentan impedancias distintas por su grantolerancia y, en consecuencia, algn capacitor soportara una tensin mayor a la mxima tensin nominal y,por lo tanto, puede ocurrir la destruccin del capacitor.

Figura 9

V nominal V / n; n = n de capacitores

Adems, en caso de que uno de ellos se destruya, evita que la tensin se distribuya entre los restantes.Los capacitores de Al para propsitos generales presentan un tiempo de almacenamiento mximo

de 6 meses durante el cual se va degradando la pelcula dielctrica por lo cual hay que formarla antes decolocar al capacitor en el circuito.

Esto se debe hacer aplicndole la tensin continua nominal al capacitor en serie con cunaresistencia limitadora. Esta resistencia debe ser de 1 K 2 para capacitores con una tensin nominal mayor a100 V. Esta tensin debe aplicarse durante una hora alcanzando el valor capacitivo nominal con unatolerancia de + - 3%. El capacitor debe ser descargado luego a travs de una resistencia de 1 ohm por cadavolt aplicado.


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Para usar como filtros, los fabricantes proveen capacitores electrolticos mltiples con electrodocomn, siendo generalmente el terminal negativo.

En definitiva, los capacitores de Al presentan un gran rendimiento volumtrico obtenindosegrandes capacidades pero presentan grandes prdidas, factor de potencia variable con la temperatura ypresentan 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 cerola resistencia serie equivalente (ESR) aumenta bruscamente. La temperatura de congelacin y la deebullicin del electrolito determinan los lmites absolutos de uso.

Una cosa a tener en cuenta es el calor generado internamente. La Rp (representa la imperfeccindel dielctrico) es mucho mayor que la Rs (ESR). Cuando se aplica una Voc, la Rp es causa decalentamiento interno. Cuando hay presente una componente de ca, la corriente de carga que pasa a travsde Rs genera un calentamiento adicional. La tolerancia de calor y la disipacin (esta ltima es funcin deltamao) determinan los lmites de la corriente alterna.

Caracterstica impedancia - frecuencia

Figura 10

La grfica siguiente da una idea de la variacin de la impedancia en Mohm en funcin de lafrecuencia para capacitores de 150.000 MF de 5V y de distintos tipos de fabricacin.

Figura 11

Para aplicaciones donde se requieren bajas impedancias, altas velocidades de computacin (casode un encendido electrnico, disparo de un flash, etc.) o bien como filtro de un regulador se usan los de


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lmina apiladas. La comparacin de los de lminas apiladas de 4 terminales y los de lminas comunes semuestran en la figura anterior y en la siguiente.

Figura 12

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

Calificacin de los capacitores de Al

Es una forma de agruparlos que, si bien cada fbrica tiene sus propios valores, se puedenordenar en 4 grupos ya que estos capacitores estn parcialmente estandarizados.

La tabla siguiente de una descripcin de la graduacin que le asigna.

Tipo y Caracterstica

Norma Vida

Apl icacionesEIA MIL Propia(aos) Servicio(aos) Test (horas)

Propsito General:Bajo Costo.Multiseccin.Mezcla de voltajes.Estilos plug in

RS 395(polarizado)

-- 1 3 - 5 500 1.000Productos 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 ytelecomunicaciones.Avinica.Mquinas para negocios.Equipamiento de control.

Vida Extendida:Construccin soldada.Laminas de alta

ganancia.Estilos plug in.Baja ESR.

--

MIL-C-62D(polarizado)CB11,CB13CB34,CB35CB36,CB44CB45,CB56CB57,CB58

CB71

3 >10 1.000 - 2.500

Amplio rango de temperatura.Instrumentacin.Avinica.Vida estable.

Normas militares.Comunicaciones de RF.Equipamiento de computadoras.Equipamiento sin atencin.Automotores.

Alta performance:Alto costo.Construccin soildada.Resistente a las altas

vibraciones.Electrolitos de primera.El ms bajo ESR.

--

MIL-C-39018(polarizado)

CU13CU16,CU17CU71,CU81CU74,CU15

3 5 >10 2.000 - 3.000

Equipamiento militar e industrial detiempo real.Bajas y Altas temperaturas deoperacin.Requerimiento de impacto y altavibracin.Fuentes conmutables de altavelocidad.Aplicaciones aeroespaciales.

Tabla 2

Esta otra tabla hace referencia a las comparaciones de rango de tensin, temperatura ycomportamiento, como gua para evaluar una decisin a adoptar.


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Tabla 3

La tabla que a continuacin se da corresponde a los valores normalizados de capacitores deAl. No obstante, las diferencias fbricas ofrecen otros valores de capacidad.

Tabla 4

Las grficas siguientes dan el comportamiento de la capacidad a 120 Hz con respecto a latemperatura de la fbrica sprague.

Figura 13


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Y para dichos capacitores, la variacin de la resistencia equivalente serie, variacin de laimpedancia con la temperatura respectivamente.

Figura 14

Algunas consideraciones publ icadas por FAPESA sobre los capaci tores de Al

Cuando se aplica una tensin continua al capacitor, circula una pequea corriente de fugacuyo valor depende de la tensin aplicada y de la resistencia paralelo Rp. El dielctrico del capacitor(capa de xido) que es atacado por el electrolito, se renueva permanentemente debido al procesoelectroltico que provoca dicha corriente, con lo que mantiene el espesor requerido.

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

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

es un factor determinante de la utilidad del capacitor como elemento de desacople.La capacidad se ver, adems, adversamente afectada al aumentar la impedancia y elngulo del prdidas, debido al aumento de ESR.

Aunque esto no es muy evidente a primera vista, puede explicarse si se considera el efectode la superficie mordentada del nodo en la capacidad total. La figura 15 muestra un corte

de dicha superficie. Puede observarse que la capacidad total est constituida por varias capacidadesparciales, de las cuales las que estn en los poros poseen mayor resistencia serie que las que estn en lasuperficie. El circuito de la figura 16 muestra una buena aproximacin de esta situacin. Si aumenta laresistencia del lquido, algunas de las capacidades parciales pierden efecto, con lo que disminuye lacapacidad total.

Figura 15 Figura 16

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


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FAPESA aconseja, para formar a sus capacitores, despus de un prolongado perodo deuso, adems de las resistencias en serie como se ha mencionado en otro prrafo, ir aumentandogradualmente la tensin hasta la nominal para evitar la ruptura de la pelcula de xido o excesivocalentamiento.

En las figuras 17 y 18 pueden observarse algunas curvas tpicas en funcin del tiempo delos capacitores de Al de FAPESA.

Figura 17 Figura 18

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

Figura 19

Vida til: De los anlisis en los prrafos previos, as como del ensayo de numerosas

unidades surge que:Los capacitores electrolticos de Al sometidos a temperaturas, apenas por debajo de lamxima permisible, presentan una ms larga vida til y el cambio en la capacidad es muy pequea.

Los capacitores sometidos a tensiones inferiores a la normal presentan tambin una mayorvida til pero la capacidad aumenta.


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Puede obtenerse una larga vida til y capacidad constante operando el capacitor contensiones y temperaturas ligeramente por debajo de los valores mximos de trabajo permisibles.

Eleccin de un capacitor electroltico de Al

Se presentan dos alternativas:

Seleccionar un capacitor con una capacidad mayor de la requerida y, aproximadamente, latensin de trabajo necesaria.Seleccionar un capacitor que posea, aproximadamente, la capacidad y una tensin de

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

funcin del tamao de la cpsula (nmeros crecientes corresponden a tamaos crecientes).La figura 20 muestra la corriente de fuga en funcin del tamao de la cpsula.

Figura 20: Corriente de fuga en funcin del tamao de cpsula.a. Tensin constante, capacidad creciente.b. Capacidad constante, tensin creciente.

Figura 21: Vida til en funcin del tamao de cpsulaa. Tensin constante, capacidad creciente.b. Capacidad constante, tensin creciente.

Figura 22: Tangente del ngulo de prdida en funcin del tamao de cpsula.

a. Tensin constante, capacidad creciente.b. Capacidad constante, tensin creciente.


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La figura 20 a corresponde a capacitores con igual tensin de trabajo y capacidad crecientemientras que la figura 20 b corresponde a capacitores con igual capacidad y tensin de trabajocreciente.

En el primer caso, la corriente de fuga aumenta considerablemente, mientras que en elsegundo disminuye, lo que indica que es preferible utilizar un capacitor con una tensin de trabajomayor que la necesaria.

La figura 21 muestra la vida til en funcin del tamao de la cpsula. Para el caso decapacidad constante y aumento de tensin al afecto es mucho ms pronunciado.Se observa que sigue siendo ventajoso, seleccionar un capacitor con tensin mayor que la

requerida.Lo mismo ocurre con respecto a las prdidas dielctricas. La figura 22 muestra que la

tangente del ngulo de prdidas es mucho ms pronunciada en el caso en que se mantieneconstante la capacidad y se aumenta la tensin de trabajo.

La figura 23 muestra la variacin de la impedancia medida a 100 KHz, dado que laimpedancia est principalmente determinada por volumen de la cpsula, esta figura es vlida paraambos casos: capacidad constante o tensin constante.

Figura 23: Impedancia a 100 Mc / s en funcin del tamao de la cpsula.

Se ha comprobado que los capacitores con mayor tensin nominal soportan temperaturasms elevadas. De esta manera, si se usa un capacitor con una tensin menor a la nominalespecificada por el fabricante, se logra una seguridad extra respecto a la temperatura.

Sntesis de la serie 122 de Philips

Es un capacitor electroltico slido de Al y miniatura encapsulado en epoxi para aplicacionesindustriales y de duracin de 4 aos en requerimientos rigurosos de telefona.

En los controles hechos en fbrica, despus de medir 11 millones por hora, se hanencontrado 5 excedidos en la corriente de fuga.

Figura 24


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Condiciones de prueba:

Con temperaturas ambientes de 70C y 85C, con tensiones de OV; 0,75 Ur y 1,1Ur. Siendo "Ur la tensin 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 despus de 1 minuto de Ur. Los resultados

logrados lo indican las figuras siguientes.

Figura 25


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Figura 29

Tabla 5


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Corrientes de Fuga:

La corriente de fuga de muchos capacitores son bajas y estables.La tabla siguiente da resumen despus de diferentes horas de funcionamiento. El del grupo3 que da 3,5 mA a 10.000 horas es el manipuleo incorrecto.

Figura 30


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Figura 31


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CAPACITORES ELECTROLTICOS DE TANTALIO

El tantalio es un elemento de transicin que se emplea en lugar del Al para obtener electrodos paracapacitores electrolticos. Con el Tantalio se consiguen ms micro faradios por voltio por unidad de volumenque con el Al ya que se logran lminas de Tantalio de un espesor de 0,03 mm en comparacin con el

espesor de las lminas de Al que son de 0.05 a 0,3 mm.Las ventajas de los capacitores de Tantalio son:

Tamao reducido. (1/20 del tamao de un capacitor de papel equivalente)

Menor tolerancia que los de Al.

Gran estabilidad de la capacidad.

Baja corriente de fuga.

Factor de potencia pequeo.

Larga vida de almacenamiento.

Larga vida en servicio.

Margen de temperaturas de 55 a +125C.

En muchos casos, una o ms de estas ventajas pueden compensar el mayor costo de loscapacitores 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 600V. Generalmente, las mayores capacidades slo se disponen para bajas tensiones. Los de tipo de electrolitoslido presentan tensiones desde 6 a 100 V.

Existen tres tipos de condensadores:

Tipo lmina de Tantalio:

Con lminas planas o grabadas se fabrica como los electrolticos de aluminio con laconfiguracin polar o no polar y en carcaza hermtica y no hermtica.

Tipo nodo poroso sintetizado:

Se fabrica tanto en electrolito slido o hmedo. El tipo de electrolito hmedo se conoce anivel internacional como wet - slug type. Es el que tiene mejores caractersticas y rendimientovolumtrico.

El electrolito slido posee una muy larga vida y se producen en tamao subminiatura y estilochip.

Tipo de alambre grabado:

Son similares a los de nodos poroso, se hacen bajos valores de capacidad y tensin parauso en circuitos miniatura como amplificador- audfono para ayuda a sordos.

Los electrolticos de Tantalio son mejores a los de Aluminio porque el xido de Tantalio tieneuna extremada estabilidad qumica y resistencia a la corrosin.

Electrolitos fuertes y de baja resistividad pueden emplearse con seguridad en capacitoresde Tantalio.

Capacitores de Tantalio de lminas

Este tipo de capacitor se construye de alambre de Tantalio soldado cada dos lminas deTantalio. Los alambres se extienden a travs de la carcaza sellada y terminan externamente concobre que es soldable como muestra la figura siguiente.


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Figura 32

Los capacitores de Tantalio de lminas se fabrican cilndricos y rectangulares. En el sistemaelectroltico se usan inorgnicas disueltas en dimetil formamida o compuestos neutros como el litioclorado o el glicol borato. Como separador del electrolito se usa papel o fibra de vidrio.En los polarizados, una lmina es formada como nodo, la otra lmina plana es el ctodo.En los no polarizados, ambas lminas son formadas.La particularidad, tanto para los capacitores de lmina de aluminio o tantalio, es que se secan poremanaciones de vapor a travs del sellado del elastmero de la carcaza.Estos capacitores no polarizados son tiles cuando pueden aparecer tensiones inversas entre susextremos, en circuitos de alterna de baja frecuencia. La tabla, al final del captulo, expresa elcomportamiento y caractersticas de los capacitores de Tantalio tipo comercial y tipo militar.Cuando se examina la construccin de un capacitor de lmina de Tantalio, se observa que elsellado est hecho con tefln y luego con un elastmero.

El tefln se usa porque es inerte prcticamente a todos los materiales y el elastmeroadmite ciertas deformaciones por variaciones de temperatura sin destruir el sellado hermtico.

El alambre mencionado que rodea a la lmina es para, luego de sacarlo a los extremosdonde se le sueldan los terminales de otro metal, que permita soldabilidad con el estao para suuso.

Adems, en el montaje en un circuito hay que tomar las precauciones de no doblar susterminales cerca de la carcaza porque puede ejercer esfuerzo sobre el tefln y provocar fugas.

Los capacitores de lminas de Tantalio son los nicos capacitores electrolticos, capaces deoperar en lmite de continua sin alterna polarizacin presente. La capacidad de riple se muestra enlas figuras siguientes:


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Figura 33

Son curvas de riple, a 60 Hz y 25C, de capacitores de lminas de Tantalio. En la grfica (a)se puede leer el valor de tensin o corriente eficaz permisible directamente. La grfica (b) determinala correccin para otras frecuencias obtenidas en (a), o sea que hay que multiplicar lo ledo en (b)por lo ledo en (a).

La grfica (c) es el factor de correccin para otras temperaturas. Se hace la mismaoperacin (a) por (c) o bien (a) por (b) y por (c).Lo mencionado es aplicable para la ausencia de polarizacin 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

nica limitacin es I2. R* por efecto de calentamiento.Los de lminas grabadas (con cido para dar mayor superficie equivalente) tienen mayor

ESR y tienen como capacidad de manejo de alterna, la mitad a los de lminas planas.La curva caracterstica de variacin de la impedancia con la frecuencia.


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Figura 34

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

Figura 35

Valores tpicos de ESR para diferentes encapsulados normalizados, temperaturas,frecuencias y tensiones se ven a continuacin de la fbrica General Electric.


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Figura 36

A. El valor de ESR expresado en ohmios para encapsulado pequeo a 10V se leedirectamente de la curva (a).

B. Para obtener el ESR para otras tensiones nominales, multiplicar el valor del paso A porel factor de correccin de la curva (b).

C. Para obtener el ESR para otros tamaos de encapsulado, multiplicar el valor por el pasoA o B, por un factor de correccin desde la tabla.

Capacitores de tantalio hmedos de nodo sinterizado

Los electrolticos hmedos de nodo sinterizados y los de electrolito slido son similares ensu construccin. El nodo sinterizado y los de electrolito slido son similares en su construccin.El nodo consiste de polvo de Tantalio alto grado de sinterizacin alrededor del alambre o

configuracin de lingote y formados a la tensin requerida.


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El nodo sinterizado es impregnado con cido sulfrico o litio clorado lquido y encapsuladoen un slido de plata o cpsula plateada con un sellado hermtico con un elastmero.

Nuevo capacitor de tantalio de nodo sinterizado hmedo se fija mecnicamente dentro dela carcaza para que tenga resistencia a las vibraciones.

Adems del elastmero se coloca fibra de vidrio para garantizar que no se produzcan fugasdel electrolito.

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

Figura 37

Las figuras anteriores muestran las construcciones tpicas de los capacitores de tantaliohmedos con nodo sinterizados.

Cabe sealar que los de carcaza de tantalio, tienen ms aptitud para soportar el riple, perotambin su costo es mayor.

Estos capacitores no admiten polarizacin inversa de tensin continua y en alterna debenoperar en la conexin de dos espalda a espalda (back to back) o de lo contrario con adecuadapolarizacin de continua.

La figura siguiente da las condiciones lmites de riple.


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Figura 38

La falla comn para este tipo de capacitor es la migracin de planta o compuesto de platajunto al encapsulado con el consecuente cortocircuito del nodo. Esta falla se reduce enormementecon un controlado proceso de fabricacin y un adecuado uso en los circuitos con riple.

La figura siguiente muestra la variacin tpica de la impedancia con la frecuencia.

Figura 39


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Los factores de correccin por variacin de impedancia a diferentes temperaturas se dan acontinuacin.

Figura 40

Las variaciones del ESR para diferentes encapsulados, temperaturas, frecuencias ytensiones.

Figura 41


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Capacitores de tantalio slido de nodo sinterizado

Es un capacitor miniatura de desarrollo tecnolgico superior al anterior. Son de muy largavida de duracin. La degradacin de la capacidad con los aos y los problemas de corrosin sonvirtualmente eliminados.

La figuras siguiente muestra que la construccin

Figura 42

Emplea un slido semiconductor como el dixido de manganeso o perxido para conducir lacorriente desde la pelcula de dielctrico (Ta2 O5) al ctodo que es la carcaza. La barra es formadaa la tensin requerida y formando una regin de pentxido de Tantalio (Ta2 O5) como se muestra acontinuacin.

Figura 43

El nodo normalmente cubierto con una hoja de carbn y luego plateada con plata o platino-plata para aumentar el contacto con la estructura del ctodo.

La estructura del ctodo consiste en muchas cavidades donde se suelda la barra.Curvas tpicas del Factor de Disipacin en funcin de la temperatura se muestran.


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Figura 44

Las curvas tpicas de variacin de la capacidad con la frecuencia.

Figura 45

La variacin de la resistencia equivalente serie con la frecuencia.

Figura 46


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El Factor de corriente de fuga cuya variacin es debido a la tensin aplicada y a distintastemperaturas.

Figura 47

La absorcin del dielctrico para capacitores slidos de Tantalio de nodo sinterizado a25C.

Figura 48

Para dar estas curvas, el capacitor ha sido cargado durante una hora a la tensin nominal ydescargado en un minuto.

La tensin recuperada por absorcin del dielctrico ha sido medida con un electrmetro dealta 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 disminucin de laamplitud pico pero es muy pequea la variacin de la forma y la posicin de la curva.

Las limitaciones de la tensin alterna de riple de los slidos de tantalio en aplicacin dealterna solamente son, generalmente, un 15% de la tensin nominal a 25C.

Las tensiones de riple deben disminuirse por factores de 0,7 a 50C, 0,5 a 85C y 0,3 a125C.

El decrecimiento de tensin por frecuencia se muestra a continuacin.


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Figura 49

La tensin inversa est, generalmente, limitada al 15% del valor nominal de continua a25C; 10% a 55C; 5% a 85C y 1% a 125C. La impedancia vara con la temperatura desde unfactor de 1,1 a 55C a 0,95 a 85C.

Variacin tpica con la frecuencia se muestra.

Figura 50

El decrecimiento de la tensin nominal de los capacitores slidos de tantalio: pueden operarcontinuamente cualquier tensin desde cero a su valor nominal y a mxima temperatura.

Trabajando a tensiones menores a la nominal, mejora la confiabilidad. Como consecuenciade esto no se degradan las caractersticas del dielctrico si, despus de un prolongado tiempo deuso en estas condiciones, se retorna al trabajo de su tensin nominal.

Como regla general, para disminuir la probabilidad de falla y aumentar ms de tres veces suvida til, conviene usarlo a la mitad de su tensin nominal a este tipo de capacitor.

A continuacin se da un nomograma para obtener el factor de confiabilidad en diversastensiones y temperaturas.


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Figura 51

Transitorios de alta corriente en slidos de tantalio:

Algunas aplicaciones producen transitorios de altas corrientes que las mediciones

estticas con instrumentos no alcanzan a predecir el comportamiento bajo estascondiciones.Los transitorios altos ocurren por cambios abruptos de la tensin entre bornes.El electrodo positivo del capacitor slido de Ta consiste solamente del metal Ta y no

presenta ningn factor de complicacin. Peor el electrodo negativo es un material de unaestructura compleja y heterognea, esto permite razonar que existen puntos resistivosdistintos y una gran carga y descarga del capacitor, genera puntos o manchas calientes (hotspots), por encima de la temperatura ambiente. Como normalmente el dielctrico Ta2 O5 esamorfo, puede cristalizar por estas altas temperaturas, perdiendo la rigidez dielctrica delproceso de fabricacin.

Aplicaciones de slidos de Tantalio espalda a espalda:

Es un tema que merece un estudio en particular, el conectar back dos capacitoresiguales para obtener una de un valor igual a la mitad y no polarizado que es tratado en unlibro por Joseph F. Rhodas.


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Figura 52

De acuerdo a la figura podemos sintetizar diciendo que V2 va a depender de latensin aplicada V1 y de la historia reciente en el tiempo de dicha tensin porque loscapacitores reales tienen una corriente de fuga en polarizacin directa que es mayor quecero. Y la polarizacin inversa va a depender la corriente de fuga que circula de la tensinaplicada.

El anlisis se comienza por ver a cada capacitor real con un diodo en oposicin, yaque es ese el comportamiento de un capacitor polarizado.

Cdigo de colores para capacitores de Tantalio

Los capacitores de tantalio slido pueden encapsularse en envases cilndricos, cuadrados oencapsulado con resina epoxy (moldeados con terminales tipo DIP).

Generalmente, en los capacitores viene impreso el valor capacitivo, la tolerancia (medianteuna letra segn el cdigo ya visto) y la tensin nominal as como el terminal positivo.

Figura 53

En algunos casos los moldeados con resina epoxy del tipo DIP vienen codificados con uncdigo de color.

Figura 54


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

crculo 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 varan de +- 5% a +- 20%. El rango de temperatura se extiende de 80C a+125C. 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 volumtrico pero se obtienen valores no muy altos de capacidad y tensionesrelativamente bajas. Otra de las ventajas de los capacitores de tantalio es la no necesidad dereactivar la pelcula de dielctrico despus de un perodo de almacenamiento, pudiendo ser este de10 aos.

Cdigo de colores para capacitores miniatura de tantalio:

En estos componentes la capacitancia se da en microfarad .Para el primero ysegundo anillo se aplica el cdigo normal de colores .El punto polaridad /multiplicador estacodificado de la siguiente manera : negro X1;marrn X10;gris X0.01;blanco X0.1.

El cdigo de colores para el rgimen de tensin 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 ,conlos terminales hacia la derecha .El conductor de arriba ser el positivo.

CONSIDERACIONES DE POTENCIA EN ALTERNA PARA LA SELECCIN DE CAPACITORES

Generalmente se desprecia el efecto producido por las componentes alternas, stas producen unadegradacin de las caractersticas por efecto trmico.

En los capacitores de pelcula se suministran los productos Rs. C en funcin de la frecuencia. As,una onda de cualquier forma puede descomponerse en sus armnicos y la disipacin para cada armnicopuede calcularse en forma separada y sumada aritmticamente para obtener la disipacin de potencia totalestimada.

Para los capacitores cermicos se suministra el Q o su inversa de donde se puede obtener elproducto Rs. C. La resistencia equivalente serie de los electrolticos se obtiene de igual forma, peroraramente es necesaria porque especifica la corriente de riple.


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El lmite de potencia de disipacin es, por supuesto, a la mxima que el capacitor puede tolerar.Esta es una funcin de la estructura interna y del tamao del envase, lo cual determina el rea disponiblepara disipar la potencia.

La relacin aproximada (suponiendo que hay libre coveccin de aire) entre el rea y el aumento detemperatura por sobre la ambiente es:

T alcanzada= 133 (P / A) C

Donde P = disipacin en vatios y A = rea de la carcaza en pulgadas cuadradas.Se muestran las curvas caractersticas de Rs. C en funcin de la frecuencia para capacitores de

plstico, del Q en funcin de la frecuencia para los cermicos y del Factor de disipacin en funcin de lafrecuencia para los electrolticos.

Figura 55

Como ejemplo para el clculo de la disipacin de potencia tomemos por ejemplo a capacitores depolicabornato y polister de Mepco/Electra y tomemos las curvas que dan la mxima disipacin de potenciaen funcin de la temperatura. Supongamos un capacitor de 0,33 microfaradios que debe manejar unatensin alterna de 180 V a una frecuencia de 1 KHz con una temperatura ambiente de 50C.

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

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

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

P = 0,214 vatiosSi un capacitor del grupo A de Mepco se elige, aquellos con curvas de 8 a 12 pueden usarse a 50C

debiendo ser el tamao mnimo del capacitor 0,374 por 0,8666 por 0,571 pulgadas.


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Figura 56

Figura 57


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Cuando no se suministran las curvas del factor de disipacin en funcin de la temperatura, ladisipacin debe limitarse a un valor que no cause un aumento de temperatura interno por encima delmximo que puede soportar. Algunas estimaciones conservativas para la temperatura de los llamadosmanchas o puntos calientes es de 100C para los cermicos, policabornatos, polister y polistermetalizado; 125C para los electrolticos slidos y de 90C para los electrolticos comunes. Otros factoresque limitan al nivel de tensin alterna aplicada son, por ejemplo, en los de pelcula se tiene la mxima

tensin alterna a una frecuencia que est dada por la rigidez dielctrica y no por la disipacin de potencia.Tambin limitan la tensin alterna los posibles transitorios, as, por ejemplo, transitorios de 20 a 50volt / microsegundo pueden causar la ruptura dielctrica en capacitores de pelcula metalizada.

CONSIDERACIONES DE FRECUENCIA Y TEMPERATURA EN LA ELECCIN DE CAPACITORES

Cuando se trabaja en alta frecuencia o con alta temperatura, las especificaciones normales de loscapacitores no se mantienen constante. As, por ejemplo, la capacidad es funcin de la frecuencia.

Figura 58

Circuito equivalente en altas frecuencias considerados como parmetros concentrados.Este es adecuado para los capacitores electrolticos hasta los 2 MHz, para los de pelcula hasta los

30 MHz y para los cermicos hasta los 200 MHz. Por encima de estas frecuencias, al capacitor hay queconsiderarlo como una lnea de transmisin con parmetros distribuidos.

Figura 59

Hay que tener en cuenta que en una lnea de transmisin, la velocidad de propagacin de la seal alo largo de la lnea es inversamente proporcional a la raz cuadrada de la constante dielctrica del materialque separa los conductores del capacitor. Por lo tanto, en capacitores con constante dielctrica alta, lalongitud de onda a una frecuencia dada puedeser 100 veces ms corta que un capacitor de aire y la frecuencia a la cual los efectos de los parmetrosdistribuidos se hacen notar puede ser 100 veces ms baja que en un capacitor de aire.La inductancia en serie causa una reduccin de la capacidad efectiva al aumentar la frecuencia. Paracapacitores cermicos la disminucin de la capacidad es despreciable hasta los 50 MHz. Por encima deella, la capacidad disminuye gradualmente hasta alcanzar el rango de frecuencia a la cual, debido a lasdimensiones del capacitor y a su constante dielctrica, se manifiestan los efectos de los parmetrosdistribuidos. Por encima de esta frecuencia, la capacidad cae a cero bruscamente.Las curvas muestran la variacin 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 dealcanzar las frecuencias a las cuales se manifiestan los parmetros distribuidos.

Otro elemento ha tener en cuenta es el efecto de la temperatura sobre la resistencia de aislacin ysobre el factor de disipacin. Este es la relacin de la resistencia equivalente serie a la reactanciaequivalente serie a la reactancia capacitiva a una frecuencia y temperatura especificada.

La resistencia de aislacin es "a menudo confundida con la resistencia de un capacitor" (Rp).Ambas son iguales slo en continua.Para operacin en alterna, la resistencia Rp es menor.La resistencia de aislacin es la relacin de una tensin continua especificada aplicada al capacitor

a la corriente que circula por l a una temperatura especificada. La corriente se mide despus de que el

capacitor se ha cargado a la tensin de prueba. En los capacitores de pelcula se debe medir la corrientedespus de 2 minutos.

Figura 61


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CAPACITORES FIJOS DE PRECISIN

Capacitores de aire

Se utilizan como patrones. Los condensadores de aire variables son de uso general y paratransmisin. Los patrones de buena calidad poseen una estabilidad de C = 0,01% durante varios

aos. Responden a distintas leyes de variacin y se obtienen valores hasta 5.000 pF cuadrtica olineal. La inmersin en aceite aumenta la capacidad y la tensin de trabajo de 2 a 5 veces.

Capacitores de vaco y de Gas

Son, generalmente, para elevadas tensiones, utilizndose en transmisores de avin,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 nitrgeno puro pueden emplearse a presionessuperiores a 10 Kg / m2.

CAPACITORES ESPECIALES

Son diseados para usos especficos 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 dealta velocidad mayores del giga hertz.

CAPACITORES INTEGRADOS

Se utilizan de dos tipos:

El de unin formado a partir del transistor integrado, utilizando los terminales de colector y base. Osea que utilizan la capacidad colector- base. La capacidad vara con la tensin colector- base y el valorcapacitivo obtenido es muy pequeo.

El capacitor de pelcula delgada. Este tipo permite capacidades mayores que el anterior y sin quesea funcin de la tensin aplicada, pero su construccin es ms costosa y necesita mayor superficie de

substrato.

Figura 62

La regin n+ es para disminuir la rscsiendo una regin muy dopada por el agregado de Arsnico.Un circuito ms simplificado es:

Figura 63


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Capacitor de pelcula. Se logra difundiendo una regin n y luego una n+. Para el n+ se aplica unacapa delgada de material dielctrico (SiO2). Finalmente se aplica una pelcula delgada de Al que acta comosegunda armadura del capacitor.

Figura 64

Este tipo de capacitor tiene 2 ventajas principales:

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

2. El capacitor no tiene polaridad por lo tanto la versin Vco puede ser positivao negativa.

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

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

CAPACITORES AJUSTABLES: LOS TRIMMER

Los trimmer son capacitores ajustables utilizados especialmente para sintona de circuitos. Se losencuentra en diversas formas y tamaos.

Existen tres formas de variar la capacidad: cambiando de dielctrico, variando la superficie de lasplacas o variando la distancia entre ellas. La primera posibilidad no resulta prctica.Los Trimmer usan como dielctrico cermicas, mica, vidrio, cuarzo, aire o plsticos como el Mylar.

De aire

Dentro de este tipo tenemos los Tandem. En realidad stos son capacitores variables. Estnconstituidos por un rotor y un estator. El rotor es la parte mvil y consiste en varios discossemicirculares fijados a un eje. El estator es la parte fija y consiste en varios discos semicircularesmontados de tal forma que cuando gira el rotor las placas del mismo y del estator se intercalan entres. El dielctrico usado es, por supuesto, el aire y debido a su constante dielctrica- 1,00- es de grantamao. Exhibe, adems, la mejor caracterstica, capacidad- temperatura, debido a su relativo valorconstante de K en un amplio rango de temperatura.

El valor que caracteriza a estos trimmer es la mxima capacidad obtenible cuando el rotorest 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 trmicos de 30+- 150 ppm/C ycon Q mayores a 2.000 a 150 MHz.

Figura 65


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Trimmer cermicos

Constan de tres partes: el rotor, el estator y el dielctrico.El rotor consiste en un semicrculo metlico unido a un eje. El estator consiste en una

lmina metlica sobre el cual se deposita una cermica clase I de bajas prdidas. Para asegurarbuena estabilidad elctrica los tres elementos deben estar en contacto estrecho. Poseen coeficiente

trmica predecible, baja inductancia y bajo costo. El rango de capacidad mxima obtenible va de 1 a40 pF.

Figura 66

Trimmer de vidrio

Consiste de un cilindro hueco con su cara externa recubierta con un material conductor. Osea que este cilindro es equivalente al estator en los anteriores Trimmers. El rotor equivalente es unpistn, el cual se introduce en el cilindro. Este cilindro es de vidrio. Al variar la posicin del pistn enel interior del cilindro se vara la capacidad. Presenta un rango de variacin de capacidad muypequeo por lo cual slo se usan donde se necesita un ajuste muy preciso.

Posee capacidad de manejar altas tensiones relativamente grandes pero permite unelevado nmero de revoluciones (hasta 10.000 ajustes) y son del tipo multivuelta, o sea que paravariar la capacidad del mnimo al mximo hay que realizar varias vueltas.

Trimmer de plstico

Son similares a los trimmer de aire, o sea, placas semicirculares separadas por un plsticoen lugar del aire permiten una menor separacin entre las placas por lo cual se obtienen mayoresvalores capacitivos por unidad de volumen y pueden soportar mayores tensiones.

Trimmer de mica

Este trimmer, a diferencia de los anteriores, produce una variacin de la capacidad porvariacin de la distancia interelectrdica. Es, en consecuencia, un trimmer de compresin. Estconstituido por una delgada pelcula de mica entre dos placas metlicas de material no ferroso,colocado el conjunto sobre un soporte cermico. Mediante un tornillo se vara la separacin de lasplacas.

Este trimmer es de bajo costo, tiene buena estabilidad, bajo coeficiente trmico, bajainductancia, bajo factor de disipacin y los valore van de 1 a 3000 pF.


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Tabla comparativa de los trimmer

Dielctrico Rango de C (pf)Q min. a20Mhz

Tensin (v) Rango Temp. (C) Tempco

aire1,3 - 6,0 a9,0-143

1.5002.000

700250

-55 a +85-55 a +185

45+15 ppm/C

50ppm/C

cermico1-3 a7-40

500 100 -55 a +125a 55C:-4,5+14%a +125C:-14+3,4%

vidrio0,6-1,8 a

1-120250-1.500

1.500 -55 a +150 +50 a 150ppm/C

plstico1-5 a 5-1

1501.500 1.000 -55 a +85 45 15ppm/C

mica1-15 a1.400-3.000

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 trmino actual, por supuesto, enel pasado, se incluan a las diferentes vlvulas en los circuitos electrnicos.

Diodos

El punto de contacto de dos superficies semiconductoras probablemente es el diodo msbsico. Las propiedades elctricas del diodo son determinas por la forma y la presin de la unin.

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 est basado en el descubrimiento de que cuando al Arseniuro de Galio se lo

excita con una tensin continua, genera frecuencias en el espectro de las microondas sin el uso decontactos ohmicos. Tiene una ventaja con respecto al diodo de avalancha porque requiere menortensin para operar.

Para generar una oscilacin es necesario colocar al diodo en una cavidad de frecuenciaadecuada.

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

Figura 67

Diodo Pin

Es una clase de diodo usado para el control de dispositivos tales como atenuadores yllaves.Bsicamente, consiste de una regin fuertemente dopada P y una regin N separada por

una regin intrnseca. El material base no tiene ningn tipo de dopado.


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Cuando se lo polariza en forma inversa no existe corriente y entonces se comporta como uncapacitor. En polarizacin directa acta como una resistencia ohmica de muy bajo valor.

La polarizacin en aplicaciones de microondas se logra por la incidencia de energa en eseespectro de frecuencias, o bien por una polarizacin 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 til para las aplicaciones de oscilaciones porcuanto puede cambiar la capacidad de una cavidad de microondas.

En las regiones de bajas y medias frecuencias de RF est el diodo de capacidad variableque se trata a continuacin.

Diodo de capacidad variable (Varicap)

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

A ttulo de ejemplo, se toma el BB 112 de Siemens con un rango de alimentacin de 1 a 9 Vde polarizacin inversa, que lo hace adecuado para equipos porttiles.

En la aplicacin de receptor de radio AM, alimentado con 12 V o un poco menos, dondetiene que cumplir con:

Mxima tensin de sintona menor que 10 V. Mxima capacidad esperada de 440 pF a 540 pF y con relacin mxima

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

diodo BB112 (f = 1 MHz) y a 25C.


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Figura 69

El diodo mencionado ofrece:

Coeficiente de variacin de la capacidad por temperatura 0,05%/ C. Corriente de fuga a mxima tensin de sintona (tensin inversa/ aplicada) a 12

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

1 V causando un mnimo de prdida de energa del circuito sintonizado.Requerimientos prcticos se deben tener en cuenta para un normal uso delBB112.

La tensin de sintona debe ser estable y de pocas variaciones por temperatura.Requerimiento tpico exige + - 0,1% para una estabilidad en la Sintona + - KHzen la banda media.

La distorsin no lineal causada por este diodo se ve incrementado por un nivelalto de la seal con baja tensin de sintona. Se aconseja colocar un control deganancia para prevenir este efecto.

Tambin para minimizar la distorsin no lineal y la radiacin, el oscilador localdebe tener un nivel de alrededor de 150 m V y mantenerlo constante a travsdel rango de sintona.

Las capacidades parsitas, debido a otros componentes, y la conexin enparalelo con el diodo de sintona deben minimizarse.

Las tensiones de sintona deben desacoplarse adecuadamente de lasfrecuencias en juego.

El resistor de alisado en serie con la tensin de sintona aplicada al diodo debeser correctamente elegida en cuanto a la corriente de fuga y la cada de tensin

aceptable.

EFECTO DE LA RADIACIN EN CAPACITORES

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

Ellos son:

Radiacin de reactores nucleares. Radiacin de armas nucleares. Provenientes de mquinas simuladoras de radiacin, tal como el ciclotrn,

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

modificadas por la accin de las partculas (protn, neutrn, electrn) o radiaciones electromagnticas(fotn).

Generalmente, los restos de los productos de la radiacin tal como istopos radioactivos y partculascargadas, tienen un efecto pequeo o nada sobre los componentes electrnicos.


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BIBLIOGRAFA

HANDBOOK OF COMPONENTS FOR ELECTRONICS-Charles A. Harper-Ed. Mc. Graw Hill.

Manuales de componentes y sistemas de diferentes industrias: Motorola - National-RCA-Toshiba-

etc.

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