Condensadores: teoría y aplicación

Jun 10, 2023

Los condensadores se encuentran entre los componentes más utilizados en una placa de circuito. Con el número cada vez mayor de dispositivos electrónicos (desde teléfonos móviles hasta automóviles), ha aumentado la demanda de condensadores. La pandemia de Covid 19 ha alterado la cadena de suministro mundial de componentes, desde semiconductores hasta componentes pasivos, y los condensadores han escaseado1.

Una discusión sobre el tema de los condensadores podría fácilmente convertirse en un libro o un diccionario. Para empezar, existen diferentes tipos de condensadores, como los electrolíticos, de película, cerámicos, etc. Luego, dentro de un mismo tipo, existen diferentes materiales dieléctricos. También hay diferentes clases. En cuanto a la construcción física, existen tipos de condensadores de dos y tres terminales. También hay un condensador tipo X2Y que esencialmente es un par de condensadores Y empaquetados en uno2. ¿Qué pasa con los supercondensadores? El hecho es que, si te sientas y empiezas a leer la guía de selección de condensadores de los principales fabricantes, ¡fácilmente podrías pasar un día!

Dado que este artículo trata sobre los fundamentos, utilizaré un enfoque diferente al que utilizaría normalmente. Como se mencionó anteriormente, se puede encontrar fácilmente una guía de selección de capacitores en los sitios web de los proveedores3,4 y los ingenieros de campo a menudo pueden responder la mayoría de las preguntas sobre los capacitores. En este artículo, en lugar de repetir lo que se puede encontrar en Internet, utilizaré ejemplos prácticos para demostrar cómo seleccionar y utilizar condensadores. También se cubrirán algunos aspectos menos conocidos de la selección de capacitores, como la degradación de la capacitancia. Después de leer este artículo, debería tener una buena idea del uso de condensadores.

Pero primero, respondamos la pregunta más fundamental: ¿qué es un condensador?

Hace años, cuando trabajaba para una empresa que fabricaba dispositivos electrónicos, teníamos una pregunta de entrevista para ingenieros en electrónica de potencia. En los esquemas de un producto existente, preguntaríamos a los candidatos potenciales "¿Cuál es la función del condensador electrolítico del enlace de CC?" y “¿Cuál es la función de un capacitor cerámico que se ubica al lado de un chip?” Esperaríamos que la respuesta correcta fuera que el capacitor del enlace de CC se usa para almacenar energía y el capacitor cerámico se usa para filtrar.

Las respuestas “correctas” que buscábamos en realidad mostraban que todos en el equipo de diseño veían un capacitor desde el punto de vista del circuito simple, no desde la teoría de campo. No hay nada de malo en el punto de vista de la teoría de circuitos. A baja frecuencia (desde unos pocos kHz hasta unos pocos MHz), la teoría de circuitos suele explicar las cosas muy bien. Esto se debe a que, a frecuencias más bajas, las señales están predominantemente en modo diferencial. Usando la teoría de circuitos, podemos ver un capacitor como el que se muestra en la Figura 1, con una resistencia en serie equivalente (ESR) y un inductor en serie equivalente (ESL) que hacen que la impedancia del capacitor cambie con la frecuencia.

Figura 1: Modelo Spice de un circuito equivalente de un condensador cerámico y su curva de impedancia

Este modelo explica adecuadamente el rendimiento del circuito cuando el circuito cambia lentamente. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, las cosas se vuelven mucho más complejas. En algún momento, los componentes comienzan a mostrar no linealidades. Un modelo LCR simple tiene sus límites cuando aumenta la frecuencia.

Hoy en día, si me hicieran las mismas preguntas en una entrevista, me pondría mis lentes de observación de teoría de campo y diría que ambos tipos de capacitores son dispositivos de almacenamiento de energía. La diferencia es que un condensador electrolítico puede almacenar mucha más energía que un condensador cerámico. Pero cuando se trata de entrega de energía, un capacitor cerámico puede entregar energía mucho más rápidamente. Esto explica por qué los condensadores cerámicos deben ubicarse al lado del chip porque un chip tiene una frecuencia y velocidad de conmutación mucho más altas en comparación con el circuito de alimentación principal.

Desde este punto de vista, podemos definir simplemente dos criterios de rendimiento para un condensador. Una es cuánta energía puede almacenar un condensador y la otra es la rapidez con la que se puede entregar esta energía. Ambos dependen de cómo está fabricado un capacitor, los materiales dieléctricos, la conexión al capacitor y más.

Cuando un interruptor está cerrado en un circuito (ver Figura 2), indica que la carga demanda energía de la fuente. La rapidez con la que se cierra este interruptor determina la urgencia de la demanda de energía. Como la energía viaja a la velocidad de la luz (la mitad de esta velocidad en un material FR4), la energía tarda en entregarse. Además, existe un desajuste de impedancia entre la fuente y la línea de transmisión, y también con la carga. Esto significa que la energía nunca se entrega en un solo viaje, sino en muchos viajes de ida y vuelta5 y es por eso que, cuando un interruptor se activa rápidamente, vemos retrasos y zumbidos en la forma de onda de conmutación.

Figura 2: La energía viaja en el espacio y lleva tiempo; El desajuste de impedancia provoca múltiples viajes de ida y vuelta en el suministro de energía.

El hecho de que la entrega de energía lleve tiempo y muchos viajes de ida y vuelta nos indica que debemos ubicar la fuente de energía lo más cerca posible de la carga, y que debemos encontrar formas de entregarla rápidamente. Lo primero a menudo se logra reduciendo la distancia física entre la carga, el interruptor y el capacitor. Esto último se logra agrupando un grupo de condensadores con impedancia mínima.

La teoría de campo también explica qué causa el ruido de modo común. En pocas palabras, el ruido de modo común se crea cuando la demanda de energía de una carga no se satisface en el momento en que se activa el interruptor. Como resultado, la energía almacenada en el espacio entre la carga y los conductores cercanos se suministrará para soportar la demanda de paso. El espacio entre la carga y los conductores cercanos es lo que llamamos condensador mutuo/parásito (ver Figura 2).

Usamos los siguientes ejemplos para demostrar cómo usar capacitores electrolíticos, capacitores cerámicos multicapa (MLCC) y capacitores de película. Se utilizan teorías de circuitos y de campos para explicar el rendimiento de los condensadores seleccionados.

Los condensadores electrolíticos se utilizan principalmente en un enlace de CC como fuente de energía principal. La selección de condensadores electrolíticos suele depender de:

Para el rendimiento EMC, la característica más importante de un condensador es la impedancia versus las características de frecuencia. Las emisiones conducidas de baja frecuencia siempre dependen de qué tan bueno sea el capacitor del enlace de CC.

La impedancia del enlace de CC depende no solo de la ESR y ESL de los condensadores sino también del área del circuito activo, como se ilustra en la Figura 3. Un área del circuito activo más grande significa que la entrega de energía tarda más y, por lo tanto, el rendimiento se ve comprometido.

Figura 3: Área de bucle activo en un convertidor CC-CC

Se instaló un convertidor reductor CC-CC para demostrar este punto. Una configuración de prueba de EMC previa al cumplimiento que se muestra en la Figura 4 realiza el barrido de emisión conducida entre 150 kHz y 108 MHz.

Figura 4: Configuración de prueba de emisiones realizada en banco antes del cumplimiento para el dispositivo bajo prueba

Se probaron tres configuraciones para los condensadores de entrada:

Es importante asegurarse de que los condensadores utilizados en este caso de estudio sean todos del mismo fabricante para evitar diferencias en las características de impedancia. Al soldar el capacitor en la PCB, asegúrese de que no haya cables largos ya que esto aumentará el ESL del capacitor. La Figura 5 muestra las tres configuraciones.

Figura 5: Tres configuraciones para condensadores de entrada

Los resultados de las emisiones conducidas de estas tres configuraciones se muestran en la Figura 6. Como puede verse, dos capacitores de 330 µF logran un rendimiento de reducción de ruido de 6 dB en un amplio rango de frecuencia en comparación con un solo capacitor de 680 µF.

Figura 6: Resultados de las pruebas de emisiones realizadas de tres configuraciones de condensadores diferentes

Desde la teoría de circuitos, se puede decir que, al tener dos condensadores en paralelo, tanto el ESL como el ESR se reducen a la mitad. Desde la teoría de campo, en lugar de tener una fuente de energía, dos fuentes de energía suministradas a la misma carga reducen efectivamente el tiempo total de entrega de energía. Sin embargo, a frecuencias más altas, la diferencia entre dos condensadores de 330 µF y uno de 680 µF se reduce. Esto se debe a que el ruido de alta frecuencia indica una respuesta de energía de paso insuficiente. Al acercar un capacitor de 330 µF al interruptor, reducimos el tiempo de entrega de energía, lo que efectivamente aumenta la respuesta escalonada del capacitor.

Los resultados nos dicen una lección muy importante. Aumentar la capacitancia de un solo capacitor generalmente no respaldará la demanda escalonada de más energía. Si es posible, utilice algunos componentes de capacitancia más pequeños. Hay muchas buenas razones para hacerlo. Primero está el costo. En términos generales, el costo de los capacitores aumenta exponencialmente con el valor de capacitancia para el mismo tamaño de paquete. Usar un solo capacitor es quizás más costoso que usar algunos capacitores más pequeños. La segunda razón es el tamaño. El factor limitante para el diseño de un producto suele ser la altura de un componente. En el caso de condensadores con gran capacitancia, la altura suele ser demasiado grande para adaptarse al diseño del producto. La tercera razón es el rendimiento de EMC, como hemos visto en nuestro estudio de caso.

Otro factor a considerar al usar capacitores electrolíticos es que se necesitarán resistencias de equilibrio cuando coloque dos capacitores en serie para compartir voltaje6.

Como se explicó anteriormente, los condensadores cerámicos son dispositivos pequeños que pueden entregar energía rápidamente. A menudo me preguntan "¿Cuánta capacitancia necesito?". La respuesta a esta pregunta es que para los condensadores cerámicos, el valor de la capacitancia no debería importar mucho. Lo importante aquí es determinar a qué frecuencia la velocidad de suministro de energía sería suficiente para su aplicación. Si una emisión conducida falla a 100 MHz, entonces un condensador que tenga la menor impedancia a 100 MHz sería una buena opción.

Aquí hay otra idea errónea sobre los MLCC. He visto a ingenieros dedicar un gran esfuerzo a seleccionar un capacitor cerámico con la menor ESR y ESL, solo para luego conectar el capacitor al punto de referencia de RF a través de una traza larga. Vale la pena saber que el ESL de un MLCC es generalmente mucho menor que las inductancias de conexión de la placa. La inductancia de conexión sigue siendo el parámetro más importante que afecta la impedancia de alta frecuencia de los condensadores cerámicos7.

Un mal ejemplo de esto se muestra en la Figura 7. La traza larga (0,5 pulgadas de largo) introduce al menos una inductancia de 10 nH. Los resultados de la simulación muestran que la impedancia del condensador se vuelve mucho mayor en el punto de frecuencia (50 MHz) de lo previsto.

Figura 7: Un seguimiento largo hasta la conexión MLCC aumenta la inductancia

Uno de los problemas de los MLCC es que tienden a resonar con las estructuras inductivas del tablero. Esto se puede ver en el ejemplo que se muestra en la Figura 8, en el que el uso de un MLCC de 10 µF introduce una resonancia a aproximadamente 300 kHz.

Figura 8: Un MLCC de 10 μF introdujo una resonancia a 300 kHz

Puede reducir la resonancia incluyendo piezas selectas que tengan una ESR más grande, o simplemente colocando una resistencia de valor pequeño (como un ohmio) en serie con el capacitor. Estos métodos utilizan componentes con pérdidas para amortiguar el sistema. Otra forma es utilizar otro valor de capacitancia para cambiar la resonancia a un punto de resonancia más bajo o más alto.

Los condensadores de película se utilizan en muchas aplicaciones. Son los condensadores elegidos para convertidores CC-CC de alta potencia y se utilizan como filtros de supresión EMI en las líneas de suministro (tanto CA como CC), así como en configuraciones de filtrado de modo común. Usamos un capacitor X como ejemplo para demostrar algunos de los puntos clave del uso de capacitores de película.

Ayuda a limitar el estrés de voltaje máximo en las líneas si hay un evento de sobretensión, por lo que a menudo se usa junto con un supresor de voltaje transitorio (TVS) o un varistor de óxido metálico (MOV).

Probablemente ya sepa todo esto, pero ¿sabe que el valor de capacitancia de un capacitor X se puede reducir significativamente con años de servicio? Esto es particularmente cierto si el capacitor se usa en un ambiente húmedo. He visto casos en los que el valor de capacitancia de un capacitor X cayó a solo unos pocos porcentajes de su valor nominal en uno o dos años, por lo que el sistema diseñado inicialmente con un capacitor X perdió efectivamente todas las protecciones que podría tener un capacitor frontal.

Entonces, ¿qué ha estado pasando? El aire húmedo puede filtrarse hacia el capacitor, hacia los cables y entre la caja y el compuesto de encapsulado epoxi. La metalización del aluminio puede entonces oxidarse. El óxido de aluminio es un buen aislante eléctrico, reduciendo así la capacitancia. Ese es un problema que pueden tener todos los condensadores de película. El problema del que hablaba era el espesor de la película. Las marcas de condensadores de renombre utilizan una película más gruesa, lo que da como resultado un condensador más grande que otras marcas. La película más delgada hace que el capacitor sea menos resistente a la sobrecarga (voltaje, corriente o temperatura) y también tiene menos probabilidades de autocurarse.

Si el condensador X no está conectado permanentemente al suministro, entonces usted tiene menos preocupaciones. Por ejemplo, para un producto que tiene un interruptor rígido entre la red eléctrica y el capacitor, el tamaño probablemente sea más importante que la vida útil y luego se puede elegir un capacitor más delgado.

Sin embargo, si el condensador está conectado permanentemente a la fuente de alimentación, entonces debe ser muy confiable. La oxidación de los condensadores no es inevitable. Si el material epóxico del capacitor es de buena calidad y el capacitor no está expuesto rutinariamente a temperaturas extremas, la degradación del valor debería ser mínima.

En este artículo, se presentó por primera vez una visión de la teoría de campo de los condensadores. Ejemplos prácticos y resultados de simulaciones demuestran cómo seleccionar y utilizar los tipos de condensadores más comunes. Con suerte, esta información le ayudará a desarrollar una comprensión más completa del papel que desempeñan los condensadores en la electrónica y el diseño EMC.

El autor desea agradecer al Sr. Steve Berry por su apoyo técnico en este tema.

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El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor principal de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, resolución de problemas y capacitación de EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, máquinas eléctricas y diseño de productos ha beneficiado a empresas de todo el mundo.

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