Condensador electrolítico de aluminio - Aluminum electrolytic capacitor

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido tienen una amplia gama de estilos, tamaños y series.

Los condensadores de aluminio son condensadores electrolíticos polarizados cuyo electrodo de ánodo (+) está hecho de una hoja de aluminio puro con una superficie grabada . El aluminio forma una capa aislante muy fina de óxido de aluminio por anodización que actúa como dieléctrico del condensador. Un electrolito no sólido cubre la superficie rugosa de la capa de óxido, sirviendo en principio como segundo electrodo ( cátodo ) (-) del condensador. Una segunda hoja de aluminio llamada "hoja de cátodo" entra en contacto con el electrolito y sirve como conexión eléctrica al terminal negativo del condensador.

Los condensadores electrolíticos de aluminio se dividen en tres subfamilias según el tipo de electrolito:

• condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos (líquidos, húmedos),
• condensadores electrolíticos sólidos de dióxido de manganeso y aluminio , y
• Condensadores electrolíticos de polímero sólido de aluminio .

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son los más económicos y también los que tienen la gama más amplia de tamaños, capacitancia y valores de voltaje. Se fabrican con valores de capacitancia desde 0,1 µF hasta 2,700,000 µF (2,7 F) y valores de voltaje nominal desde 4 V hasta 630 V. El electrolito líquido proporciona oxígeno para la reformación o autocuración de la capa de óxido dieléctrico. Sin embargo, puede evaporarse a través de un proceso de secado dependiente de la temperatura, lo que hace que los parámetros eléctricos se desvíen, lo que limita la vida útil de los condensadores.

Debido a sus valores de capacitancia relativamente altos, los condensadores electrolíticos de aluminio tienen valores de impedancia bajos incluso a frecuencias más bajas, como la frecuencia de la red . Se utilizan normalmente en fuentes de alimentación , fuentes de alimentación conmutadas y convertidores CC-CC para suavizar y almacenar en búfer voltajes CC rectificados en muchos dispositivos electrónicos, así como en fuentes de alimentación industriales y convertidores de frecuencia como condensadores de enlace CC para variadores , inversores para fotovoltaica , etc. y convertidores en plantas de energía eólica . Los tipos especiales se utilizan para el almacenamiento de energía, por ejemplo en la de destellos o estroboscópicas aplicaciones o de acoplamiento de señal en aplicaciones de audio.

Los condensadores electrolíticos de aluminio son condensadores polarizados debido a su principio de anodización. Solo pueden funcionar con tensión CC aplicada con la polaridad correcta. Operar el capacitor con polaridad incorrecta o con voltaje de CA conduce a un cortocircuito y puede destruir el componente. La excepción es el condensador electrolítico de aluminio bipolar, que tiene una configuración adosada de dos ánodos en un caso y se puede utilizar en aplicaciones de CA.

Información básica

Capa de óxido

Principio básico de oxidación anódica, en el que, aplicando un voltaje con una fuente de corriente, se forma una capa de óxido sobre un ánodo metálico.

Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, anteriormente denominados "metales de válvula". La aplicación de un voltaje positivo al material del ánodo en un baño electrolítico forma una capa de óxido aislante con un espesor correspondiente al voltaje aplicado. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico. Las propiedades de esta capa de óxido de aluminio en comparación con la capa dieléctrica de pentóxido de tantalio se dan en la siguiente tabla:

Después de formar un óxido dieléctrico en las estructuras rugosas del ánodo, un contraelectrodo debe coincidir con la superficie rugosa del óxido aislante. Esto lo proporciona el electrolito, que actúa como electrodo catódico de un condensador electrolítico. Los electrolitos pueden ser "no sólidos" (húmedos, líquidos) o "sólidos". Los electrolitos no sólidos, como medio líquido que tiene una conductividad iónica causada por iones en movimiento, son relativamente insensibles a picos de voltaje o picos de corriente. Los electrolitos sólidos tienen una conductividad electrónica , lo que hace que los condensadores electrolíticos sólidos sean sensibles a picos de voltaje o sobrecargas de corriente.

La capa de óxido aislante generada anódicamente se destruye si cambia la polaridad del voltaje aplicado.

Se coloca un material dieléctrico entre dos placas conductoras (electrodos), cada una de área A , y con una separación d .

Cada condensador electrolítico en principio forma un "condensador de placa" cuya capacitancia es mayor cuanto mayor es el área del electrodo A y la permitividad ε, y más delgado es el espesor (d) del dieléctrico.

${\ Displaystyle C = \ varepsilon \ cdot {\ frac {A} {d}}}$

La capacitancia es proporcional al producto del área de una placa por la permitividad, dividida por el espesor del dieléctrico.

Los condensadores electrolíticos obtienen sus valores de capacitancia grandes en un área grande y un espesor dieléctrico pequeño. El grosor dieléctrico de condensadores electrolíticos es muy delgada, del orden de nano metros por voltio, pero las fuerzas de tensión de estas capas de óxido son bastante altos. Todos los ánodos grabados o sinterizados tienen una superficie mucho más alta en comparación con una superficie lisa de la misma área. Esto aumenta el valor de capacitancia en un factor de hasta 200 para los condensadores electrolíticos de aluminio.

Construcción de condensadores electrolíticos de aluminio no sólido.

• Construcción básica de condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos
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  Devanado abierto de un condensador con múltiples láminas conectadas

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  Primer corte transversal de un diseño de condensador electrolítico de aluminio, que muestra una lámina de ánodo de capacitor con una capa de óxido, un espaciador de papel empapado con electrolito y una lámina de cátodo

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  Construcción de un condensador electrolítico de aluminio de un solo extremo típico con electrolito no sólido

Un condensador electrolítico de aluminio con un electrolito no sólido siempre consta de dos láminas de aluminio separadas mecánicamente por un espaciador, principalmente papel, que está saturado con un electrolito líquido o similar a un gel. Una de las hojas de aluminio, el ánodo, se graba (se raspa) para aumentar la superficie y se oxida (forma). La segunda hoja de aluminio, llamada "hoja de cátodo", sirve para hacer contacto eléctrico con el electrolito. Un espaciador de papel separa mecánicamente las láminas para evitar el contacto metálico directo. Tanto las láminas como el espaciador se enrollan y el devanado está impregnado con electrolito líquido. El electrolito, que sirve como cátodo del condensador, cubre perfectamente la estructura rugosa grabada de la capa de óxido en el ánodo y hace que la superficie aumentada del ánodo sea eficaz. Después de la impregnación, el devanado impregnado se monta en una caja de aluminio y se sella.

Por diseño, un condensador electrolítico de aluminio no sólido tiene una segunda hoja de aluminio, la llamada hoja de cátodo, para entrar en contacto con el electrolito. Esta estructura de un condensador electrolítico de aluminio da como resultado un resultado característico porque la segunda hoja de aluminio (cátodo) también está cubierta con una capa de óxido aislante formada naturalmente por aire. Por lo tanto, la construcción del condensador electrolítico consta de dos condensadores individuales conectados en serie con capacitancia C _A del ánodo y capacitancia C _K del cátodo. La capacitancia total del condensador C _e-cap se obtiene así a partir de la fórmula de la conexión en serie de dos condensadores:

${\ Displaystyle C_ {e-cap} = {\ frac {C_ {A} \ cdot C_ {K}} {C_ {A} + C_ {K}}}}$

Se deduce que la capacitancia total del condensador C _e-tapa está determinada principalmente por la capacitancia del ánodo C _A cuando el cátodo capacitancia C _K es muy grande en comparación con el ánodo capacitancia C _A . Este requisito se da cuando el cátodo capacitancia C _K es aproximadamente 10 veces mayor que el ánodo capacitancia C _A . Esto se puede lograr fácilmente porque la capa de óxido natural en la superficie del cátodo tiene una prueba de voltaje de aproximadamente 1,5 V y, por lo tanto, es muy delgada.

Comparación de tipos sólidos y no sólidos

Aunque el presente artículo solo se refiere en esencia a los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido, aquí se ofrece una descripción general de los diferentes tipos de condensadores electrolíticos de aluminio para resaltar las diferencias. Los condensadores electrolíticos de aluminio se dividen en dos subtipos dependiendo de si utilizan sistemas de electrolitos líquidos o sólidos. Debido a que los diferentes sistemas de electrolitos se pueden construir con una variedad de materiales diferentes, incluyen otros subtipos.

• Condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido
  • puede usar un electrolito líquido a base de etilenglicol y ácido bórico , los llamados electrolitos "bórax", o
  • basado en disolventes orgánicos, como DMF , DMA , GBL o
  • basado en disolventes con alto contenido de agua, para los denominados condensadores de "baja impedancia", "baja ESR" o "alta corriente de ondulación"
• Condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido
  • tener un electrolito de dióxido de manganeso sólido, ver condensador de aluminio sólido (SAL) , o
  • un electrolito de polímero sólido, ver condensador electrolítico de polímero de aluminio , o
  • electrolitos híbridos, con un polímero sólido y un líquido, ver también condensador electrolítico de polímero de aluminio

• Diferencias de diseño principal de los diferentes subtipos de condensadores electrolíticos de aluminio
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  Al-e-cap con electrolito no sólido

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  Al-e-cap con electrolito de óxido de manganeso sólido, conexión de cátodo de grafito / plata

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  Al-e-cap con electrolito de polímero

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  Al-e-cap con electrolito de polímero, conexión de cátodo de grafito / plata

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  Al-e-cap con polímero y electrolito no sólido (polímero híbrido)

Descripción de los materiales

• 1: Lámina de ánodo, 2: Capa de óxido de ánodo (dieléctrico), 3: Lámina de cátodo, 4: Capa de óxido de cátodo, 5: Electrolito no sólido, 6: Separador de papel empapado con electrolito, ya sea no sólido o polímero, 7: Conductor polímero, 8: óxido de manganeso (MnO ₂ ), 9: grafito, 10: plata

La siguiente tabla muestra una descripción general de las principales características de los diferentes tipos de condensadores electrolíticos de aluminio.

¹⁾ Valores para un condensador típico con 100 µF / 10–16 V

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son los condensadores electrolíticos más conocidos y más utilizados. Estos componentes se pueden encontrar en casi todas las placas de equipos electrónicos. Se caracterizan por materiales de base particularmente económicos y fáciles de procesar.

Los condensadores de aluminio con electrolitos líquidos a base de bórax o disolventes orgánicos tienen una amplia gama de tipos y clasificaciones. Los condensadores con electrolitos a base de agua se encuentran a menudo en dispositivos digitales para producción en masa. Los tipos con electrolito sólido de dióxido de manganeso han servido en el pasado como un "reemplazo del tantalio". Los condensadores electrolíticos de polímero de aluminio con electrolitos de polímero conductor sólido son cada vez más importantes, especialmente en dispositivos con un diseño plano, como tabletas y pantallas planas. Los condensadores electrolíticos con electrolitos híbridos son relativamente nuevos en el mercado. Con su sistema de electrolito híbrido, combinan la conductividad mejorada del polímero con la ventaja de los electrolitos líquidos para una mejor propiedad de autocuración de la capa de óxido, de modo que los condensadores tienen las ventajas de una ESR baja y una corriente de fuga baja.

Materiales

Ánodo

Superficie de una lámina de ánodo de bajo voltaje grabada

La vista en sección transversal de láminas de ánodo de bajo voltaje de 10 V y de alto voltaje de 400 V grabadas muestra las diferentes estructuras de grabado

Sección transversal ultrafina de un poro grabado en una lámina de ánodo de bajo voltaje, aumento de 100.000 veces, gris claro: aluminio, gris oscuro: óxido de aluminio amorfo, blanco: poro en el que está activo el electrolito

El material básico del ánodo para condensadores electrolíticos de aluminio es una lámina con un espesor de ~ 20–100 µm hecha de aluminio con una alta pureza de al menos 99,99%. Esto se graba (raspa) en un proceso electroquímico para aumentar la superficie efectiva del electrodo. Grabando la superficie del ánodo, dependiendo del voltaje nominal requerido, el área de la superficie se puede incrementar en un factor de aproximadamente 200 con respecto a una superficie lisa.

Después de grabar el ánodo de aluminio, la superficie rugosa se "oxida anódicamente" o se "forma". De este modo se forma una capa de óxido Al ₂ O ₃ eléctricamente aislante sobre la superficie de aluminio mediante la aplicación de una corriente en la polaridad correcta si se inserta en un baño electrolítico. Esta capa de óxido es el dieléctrico del condensador.

Este proceso de formación de óxido se lleva a cabo en dos etapas de reacción en las que el oxígeno para esta reacción debe provenir del electrolito. Primero, una reacción fuertemente exotérmica transforma el aluminio metálico (Al) en hidróxido de aluminio , Al (OH) ₃ :

2 Al + 6 H ₂ O → 2 Al (OH) ₃ + 3 H ₂ ↑

Esta reacción se acelera por un campo eléctrico elevado y altas temperaturas, y va acompañada de una acumulación de presión en la carcasa del condensador causada por el gas hidrógeno liberado . El hidróxido de aluminio similar a un gel Al (OH) ₃ , también llamado trihidrato de alúmina (ATH), se convierte mediante un segundo paso de reacción (generalmente lentamente durante unas pocas horas a temperatura ambiente, más rápidamente en unos pocos minutos a temperaturas más altas) en aluminio. óxido , Al ₂ O ₃ :

2 Al (OH) ₃ → 2 AlO (OH) + 2 H ₂ O → Al ₂ O ₃ + 3 H ₂ O

El óxido de aluminio sirve como dieléctrico y también protege al aluminio metálico contra reacciones químicas agresivas del electrolito. Sin embargo, la capa convertida de óxido de aluminio no suele ser homogénea. Forma un complejo laminado estructurado de múltiples capas de óxido de aluminio amorfo, cristalino y cristalino poroso, principalmente cubierto con pequeñas partes residuales de hidróxido de aluminio sin convertir. Por esta razón, en la formación de la hoja del ánodo, la película de óxido se estructura mediante un tratamiento químico especial de modo que se forma un óxido amorfo o un óxido cristalino. La variedad de óxido amorfo produce una mayor estabilidad mecánica y física y menos defectos, lo que aumenta la estabilidad a largo plazo y reduce la corriente de fuga.

El espesor del dieléctrico efectivo es proporcional al voltaje de formación

El óxido amorfo tiene una relación dieléctrica de ~ 1,4 nm / V. En comparación con el óxido de aluminio cristalino, que tiene una relación dieléctrica de ~ 1.0 nm / V, la variedad amorfa tiene una capacitancia un 40% menor en la misma superficie del ánodo. La desventaja del óxido cristalino es su mayor sensibilidad a la tensión de tracción, que puede provocar microgrietas cuando se somete a tensiones mecánicas (devanado) o térmicas (soldadura) durante los procesos de postformación.

Las diversas propiedades de las estructuras de óxido afectan las características posteriores de los condensadores electrolíticos. Las láminas de ánodo con óxido amorfo se utilizan principalmente para condensadores electrolíticos con características estables de larga duración, para condensadores con valores de corriente de fuga bajos y para e-caps con voltajes nominales de hasta aproximadamente 100 voltios. Condensadores con voltajes más altos, por ejemplo, condensadores de flash fotográfico, que normalmente contienen láminas de ánodo con óxido cristalino.

Debido a que el espesor del dieléctrico efectivo es proporcional al voltaje de formación, el espesor del dieléctrico se puede adaptar al voltaje nominal del capacitor. Por ejemplo, para los tipos de bajo voltaje, un condensador electrolítico de 10 V tiene un espesor dieléctrico de solo aproximadamente 0,014 µm, un condensador electrolítico de 100 V de solo aproximadamente 0,14 µm. Por tanto, la rigidez dieléctrica también influye en el tamaño del condensador. Sin embargo, debido a los márgenes de seguridad estandarizados, la tensión de formación real de los condensadores electrolíticos es más alta que la tensión nominal del componente.

Las láminas de ánodos de aluminio se fabrican como los denominados "rollos madre" de unos 500 mm de ancho. Están preformados para el voltaje nominal deseado y con la estructura de capa de óxido deseada. Para producir los condensadores, los anchos y longitudes de ánodo, como se requiere para un condensador, deben cortarse del rollo madre.

Cátodo

Las láminas de ánodo y cátodo se fabrican como los llamados "rollos madre", de los cuales se cortan los anchos y longitudes, según se requiera para la producción de condensadores.

La segunda hoja de aluminio en el condensador electrolítico, llamada "hoja de cátodo", sirve para hacer contacto eléctrico con el electrolito. Esta lámina tiene un grado de pureza algo menor, alrededor del 99,8%. Siempre está provisto de una capa de óxido muy fina, que surge del contacto de la superficie de aluminio con el aire de forma natural. Para reducir la resistencia de contacto con el electrolito y dificultar la formación de óxido durante la descarga, la hoja del cátodo se alea con metales tales como cobre , silicio o titanio . La lámina del cátodo también está grabada para agrandar la superficie.

Debido a la capa de óxido extremadamente delgada, que corresponde a una prueba de voltaje de aproximadamente 1,5 V, su capacitancia específica es, sin embargo, mucho más alta que la de las láminas de ánodo. Para justificar la necesidad de una gran capacidad de superficie de la lámina del cátodo, consulte la sección sobre estabilidad de carga / descarga a continuación.

Las láminas de cátodo, como las láminas de ánodo, se fabrican como los denominados "rollos madre", de los cuales se cortan anchos y longitudes, según sea necesario, para la producción de condensadores.

Electrólito

El condensador electrolítico debe su nombre al electrolito, el líquido conductor dentro del condensador. Como líquido, puede adaptarse a la estructura porosa del ánodo y la capa de óxido crecida con la misma forma y forma como un cátodo "hecho a medida". Un electrolito siempre consta de una mezcla de disolventes y aditivos para cumplir con los requisitos dados. La principal propiedad eléctrica del electrolito es su conductividad, que es físicamente una conductividad iónica en líquidos. Además de la buena conductividad de los electrolitos operativos, varios otros requisitos son, entre otros, estabilidad química, alto punto de inflamación , compatibilidad química con aluminio, baja viscosidad , mínimo impacto ambiental negativo y bajo costo. El electrolito también debe aportar oxígeno para los procesos de formación y autocuración, y todo ello dentro de un rango de temperatura lo más amplio posible. Esta diversidad de requisitos para el electrolito líquido da como resultado una amplia variedad de soluciones patentadas.

Los sistemas electrolíticos utilizados en la actualidad se pueden resumir aproximadamente en tres grupos principales:

• Electrolitos a base de etilenglicol y ácido bórico. En estos llamados electrolitos de glicol o bórax se produce una reacción química de agua cristalina no deseada de acuerdo con el esquema: "ácido + alcohol" da "éster + agua". Estos electrolitos de bórax son electrolitos estándar, de uso prolongado y con un contenido de agua entre el 5 y el 20%. Trabajan a una temperatura máxima de 85 ° C o 105 ° C en todo el rango de tensión hasta 600 V. Incluso con estos condensadores, la agresividad del agua debe evitarse con las medidas adecuadas.
• Electrolitos casi anhidros basados ​​en disolventes orgánicos, como dimetilformamida (DMF), dimetilacetamida (DMA) o γ-butirolactona (GBL). Estos condensadores con electrolitos de disolventes orgánicos son adecuados para rangos de temperatura de 105 ° C, 125 ° C o 150 ° C, tienen valores de corriente de fuga bajos y tienen un comportamiento de condensador muy bueno a largo plazo.
• Electrolitos a base de agua con alto contenido de agua, hasta un 70% de agua para los llamados condensadores electrolíticos de "baja impedancia", "baja ESR" o "alta corriente de ondulación" con voltajes nominales de hasta 100 V para masas de bajo costo -Aplicaciones de mercado. La agresividad del agua por el aluminio debe evitarse con aditivos adecuados.

Dado que la cantidad de electrolito líquido durante el tiempo de funcionamiento de los condensadores disminuye con el tiempo mediante la autocuración y la difusión a través del sello, los parámetros eléctricos de los condensadores pueden verse afectados negativamente, lo que limita la vida útil o la vida útil de los condensadores electrolíticos "húmedos". , consulte la sección sobre la vida útil a continuación.

Separador

Las láminas del ánodo y del cátodo deben protegerse del contacto directo entre sí porque dicho contacto, incluso a voltajes relativamente bajos, puede provocar un cortocircuito. En caso de contacto directo de ambas láminas, la capa de óxido en la superficie del ánodo no proporciona protección. Un espaciador o separador hecho de un papel especial muy absorbente de alta pureza protege las dos láminas metálicas del contacto directo. Este papel de condensador también sirve como depósito del electrolito para prolongar la vida útil del condensador.

El grosor del espaciador depende de la tensión nominal del condensador electrolítico. Es hasta 100 V entre 30 y 75 µm. Para voltajes más altos, se utilizan varias capas de papel (papel dúplex) para aumentar la resistencia a la rotura.

Encapsulamiento

Vista de tres puntos de rotura predeterminados impresos diferentes (respiraderos de alivio de presión) en la parte inferior de las cajas de los condensadores electrolíticos radiales

El encapsulado de los condensadores electrolíticos de aluminio también es de aluminio para evitar reacciones galvánicas , normalmente con una carcasa de aluminio (lata, tina). Para los condensadores electrolíticos radiales, se conecta a través del electrolito con una resistencia no definida al cátodo (tierra). Sin embargo, para los condensadores electrolíticos axiales, la carcasa está diseñada específicamente con un contacto directo con el cátodo.

En caso de funcionamiento defectuoso, sobrecarga o polaridad incorrecta dentro de la carcasa del condensador electrolítico, puede surgir una presión de gas considerable. Las tinas están diseñadas para abrir un respiradero de alivio de presión y liberar gas a alta presión, incluidas partes del electrolito. Este respiradero protege contra estallidos, explosiones o saltos de la tina de metal.

Para carcasas más pequeñas, la ventilación de alivio de presión está tallada en la parte inferior o en la muesca de la bañera. Los condensadores más grandes, como los condensadores con terminales de tornillo, tienen un respiradero de sobrepresión con cerradura y deben montarse en posición vertical.

Sellando

Los materiales de sellado de los condensadores electrolíticos de aluminio dependen de los diferentes estilos. Para condensadores de terminales roscados y condensadores a presión más grandes, la arandela de sellado está hecha de un material plástico. Los condensadores electrolíticos axiales suelen tener una arandela de sellado hecha de resina fenólica laminada con una capa de caucho. Los condensadores electrolíticos radiales utilizan un tapón de goma con una estructura muy densa. Todos los materiales de sellado deben ser inertes a las partes químicas del electrolito y pueden no contener compuestos solubles que puedan provocar la contaminación del electrolito. Para evitar fugas, el electrolito no debe ser agresivo con el material de sellado.

Producción

Diagrama de flujo de proceso para la producción de condensadores electrolíticos radiales de aluminio con electrolito no sólido

El proceso de producción comienza con los rollos madre. Primero, la hoja de ánodo grabada, rugosa y preformada en el rollo madre así como el papel espaciador y la hoja de cátodo se cortan al ancho requerido. Las láminas se alimentan a una bobinadora automática, que hace una sección bobinada en una operación consecutiva que involucra tres pasos secuenciales: soldadura terminal, bobinado y corte longitudinal. En el siguiente paso de producción, la sección enrollada fijada en los terminales de salida se empapa con electrolito bajo impregnación al vacío. Luego, el devanado impregnado se integra en una caja de aluminio, provista de un disco de sellado de goma, y ​​se sella mecánicamente mediante rizado. A partir de entonces, el condensador se proporciona con una película de manguito retráctil aislante. Este condensador ópticamente listo se pone en contacto luego a voltaje nominal en un dispositivo de post-formación de alta temperatura para curar todos los defectos dieléctricos resultantes del procedimiento de corte y bobinado. Después del posformado, se lleva a cabo una medición final del 100% de capacitancia, corriente de fuga e impedancia. El encintado cierra el proceso de fabricación; los condensadores están listos para su entrega.

Estilos

• Diferentes estilos de condensadores electrolíticos de aluminio no sólido
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Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido están disponibles en diferentes estilos, vea las imágenes de arriba de izquierda a derecha:

• SMD (V-chip) para montaje en superficie en placas de circuito impreso o sustratos
• Terminales de cables radiales (un solo extremo) para montaje vertical en placas de circuito impreso
• Terminales de cables axiales para montaje THT horizontal en placas de circuito impreso
• Terminales de clavija radial (snap-in) para aplicaciones de energía
• Terminales de tornillo grandes para aplicaciones de energía

Historia

El primer condensador electrolítico publicado en 1914. Tenía una capacitancia de alrededor de 2 microfaradios.

Vista del ánodo de un condensador electrolítico de aluminio "húmedo", Bell System Technique 1929

En 1875, el investigador francés Eugène Ducretet descubrió que ciertos "metales de válvula" (aluminio y otros) pueden formar una capa de óxido que bloquea una corriente eléctrica para que no fluya en una dirección pero permite que fluya en la dirección contraria.

Karol Pollak , un productor de acumuladores, descubrió que la capa de óxido en un ánodo de aluminio permanecía estable en un electrolito neutro o alcalino, incluso cuando la energía estaba apagada. En 1896 obtuvo una patente para un condensador líquido eléctrico con electrodos de aluminio (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ) basado en la idea de utilizar la capa de óxido en un condensador polarizado en combinación con un electrolito neutro o ligeramente alcalino.

Los primeros condensadores electrolíticos realizados industrialmente consistían en una caja metálica utilizada como cátodo, llena de un electrolito de bórax disuelto en agua, en la que se insertaba una placa anódica de aluminio plegada. Aplicando un voltaje de CC desde el exterior, se formó una capa de óxido en la superficie del ánodo. La ventaja de estos capacitores era que eran significativamente más pequeños y más baratos que todos los demás capacitores en este momento con respecto al valor de capacitancia obtenido. Esta construcción con diferentes estilos de construcción anódica pero con una carcasa como cátodo y un contenedor como electrolito se utilizó hasta la década de 1930 y se denominó condensador electrolítico "húmedo", en referencia a su alto contenido de agua.

Algunas formas diversas de estructuras anódicas históricas. Para todos estos ánodos, el contenedor metálico exterior sirve como cátodo.

La primera aplicación común de los condensadores electrolíticos de aluminio húmedo fue en grandes centrales telefónicas, para reducir el ruido (hash) del relé en la fuente de alimentación de CC de 48 voltios. El desarrollo de receptores de radio domésticos operados con CA a finales de la década de 1920 creó una demanda de condensadores de gran capacitancia (por el momento) y de alto voltaje para la técnica del amplificador de válvula , generalmente al menos 4 microfaradios y con una potencia de alrededor de 500 voltios CC. Había disponibles condensadores de papel encerado y película de seda engrasada , pero los dispositivos con ese orden de capacitancia y voltaje eran voluminosos y prohibitivamente caros.

Un condensador electrolítico "seco" con 100 µF y 150 V

El antepasado del condensador electrolítico moderno fue patentado por Samuel Ruben en 1925, quien se asoció con Philip Mallory , el fundador de la compañía de baterías que ahora se conoce como Duracell International . La idea de Ruben adoptó la construcción apilada de un condensador de mica plateado . Introdujo una segunda lámina separada para entrar en contacto con el electrolito adyacente a la lámina del ánodo en lugar de usar el recipiente lleno de electrolito como cátodo del condensador. La segunda lámina apilada obtuvo su propio terminal adicional al terminal del ánodo y el contenedor ya no tenía una función eléctrica. Este tipo de condensador electrolítico con una lámina de ánodo separada de una lámina de cátodo por un electrolito líquido o gelatinoso de naturaleza no acuosa, que por lo tanto es seco en el sentido de tener un contenido de agua muy bajo, se conoció como el "tipo de condensador electrolítico. Esta invención, junto con la invención de láminas enrolladas separadas con un espaciador de papel 1927 por A. Eckel, Hydra-Werke (Alemania), redujo significativamente el tamaño y el precio, lo que ayudó a que las nuevas radios fueran asequibles para un grupo más amplio de clientes.

William Dubilier , cuya primera patente de condensadores electrolíticos se presentó en 1928, industrializó las nuevas ideas para condensadores electrolíticos y comenzó la producción comercial a gran escala en 1931 en la fábrica de Cornell-Dubilier (CD) en Plainfield, Nueva Jersey. Al mismo tiempo, en Berlín, Alemania, "Hydra-Werke", una empresa de AEG , inició la producción de condensadores electrolíticos en grandes cantidades.

Ya en su solicitud de patente de 1886, Pollak escribió que la capacitancia del condensador aumentaba si la superficie de la lámina del ánodo se hacía rugosa. Desde entonces se han desarrollado varios métodos para raspar la superficie del ánodo, métodos mecánicos como arenado o rayado, y grabado químico con ácidos y sales ácidas forzadas por corrientes elevadas. Algunos de estos métodos se desarrollaron en la fábrica de CD entre 1931 y 1938. Hoy (2014), el grabado electroquímico de láminas de bajo voltaje puede lograr un aumento de hasta 200 veces en el área de superficie en comparación con una superficie lisa. El progreso relacionado con el proceso de grabado es la razón de la reducción continua de las dimensiones de los condensadores electrolíticos de aluminio durante las últimas décadas.

Miniaturización de condensadores electrolíticos de aluminio de 1960 a 2005 en caso de 10x16 mm hasta factor diez

El período posterior a la Segunda Guerra Mundial está asociado con un rápido desarrollo de la tecnología de radio y televisión, así como en aplicaciones industriales, que tuvieron una gran influencia en las cantidades de producción, pero también en los estilos, tamaños y diversificación de series de condensadores electrolíticos. Los nuevos electrolitos basados ​​en líquidos orgánicos redujeron las corrientes de fuga y la ESR, ampliaron los rangos de temperatura y aumentaron la vida útil. Los fenómenos de corrosión provocados por el cloro y el agua podrían evitarse mediante procesos de fabricación de mayor pureza y utilizando aditivos en los electrolitos.

El desarrollo de los condensadores electrolíticos de tantalio a principios de la década de 1950 con dióxido de manganeso como electrolito sólido, que tiene una conductividad 10 veces mejor que todos los demás tipos de electrolitos no sólidos, también influyó en el desarrollo de los condensadores electrolíticos de aluminio. En 1964 aparecieron en el mercado los primeros condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido ( condensador de aluminio sólido (SAL) ), desarrollados por Philips .

Las décadas de 1970 a 1990 estuvieron marcadas por el desarrollo de varias nuevas series de condensadores electrolíticos de aluminio profesionales con f. mi. corrientes de fuga muy bajas o con características de larga duración o para temperaturas superiores hasta 125 ° C, que eran especialmente adecuadas para determinadas aplicaciones industriales. La gran diversidad de las numerosas series de condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos hasta ahora (2014) es un indicador de la adaptabilidad de los condensadores para cumplir con diferentes requisitos industriales.

Conductividad de electrolitos sólidos y no sólidos

En 1983, Sanyo logró una reducción adicional de la ESR con sus condensadores electrolíticos de aluminio " OS-CON ". Estos condensadores utilizan como conductor orgánico sólido la sal de transferencia de carga TTF-TCNQ ( tetracianoquinodimetano ), que proporcionó una mejora en la conductividad en un factor de 10 con respecto al electrolito de dióxido de manganeso.

Los valores de ESR de los condensadores TCNQ se redujeron significativamente con el descubrimiento de polímeros conductores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa . La conductividad de los polímeros conductores como el polipirrol [14] o PEDOT es mejor que la del TCNQ en un factor de 100 a 500 y se acerca a la conductividad de los metales. En 1991, Panasonic lanzó al mercado su "SP-Cap", un condensador electrolítico de polímero de aluminio. Estos condensadores electrolíticos con electrolitos de polímero alcanzaron valores de ESR lo suficientemente bajos como para competir con los condensadores cerámicos multicapa (MLCC). Todavía eran menos costosos que los capacitores de tantalio y poco tiempo después se usaron en dispositivos con un diseño plano, como computadoras portátiles y teléfonos celulares .

Se desarrollaron nuevos electrolitos a base de agua en Japón desde mediados de la década de 1980 con el objetivo de reducir la ESR para capacitores electrolíticos no sólidos de bajo costo. El agua es económica, un solvente eficaz para los electrolitos y mejora significativamente la conductividad del electrolito.

El fabricante japonés Rubycon fue líder en el desarrollo de nuevos sistemas de electrolitos a base de agua con conductividad mejorada a fines de la década de 1990. La nueva serie de condensadores no sólidos con electrolito a base de agua se denominó en las hojas de datos de las series "Low-ESR", "Low-Impedancia", "Ultra-Low-Impedancia" o "High-Ripple Current".

Una receta robada de un electrolito a base de agua, en la que estaban ausentes importantes sustancias estabilizadoras, condujo en los años 2000 a 2005 al problema de los condensadores que explotaban en masa en las computadoras y las fuentes de alimentación, que se conoció con el término " Plaga de condensadores ". . En estos condensadores, el agua reacciona de forma bastante agresiva e incluso violenta con el aluminio, acompañado de un fuerte desarrollo de calor y gas en el condensador, y a menudo conduce a la explosión del condensador.

Parámetros eléctricos

Modelo de circuito equivalente en serie de un condensador electrolítico

Las características eléctricas de los condensadores están armonizadas por la especificación genérica internacional IEC 60384-1. En esta norma, las características eléctricas de los condensadores se describen mediante un circuito equivalente en serie idealizado con componentes eléctricos que modelan todas las pérdidas óhmicas y los parámetros capacitivos e inductivos de un condensador electrolítico:

• C , la capacitancia del condensador,
• R _ESR , la resistencia en serie equivalente , que resume todas las pérdidas óhmicas del capacitor, generalmente abreviado como "ESR".
• L _ESL , la inductancia en serie equivalente , que es la autoinductancia efectiva del condensador, generalmente abreviada como "ESL".
• R _fuga , la resistencia que representa la corriente de fuga

Tolerancias y valores estándar de capacitancia

Capacitancia típica en función de la temperatura

La unidad básica de capacitancia de los capacitores electrolíticos es el microfaradio (μF, o menos correctamente uF).

El valor de capacitancia especificado en las hojas de datos de los fabricantes se denomina capacitancia nominal C _R o capacitancia nominal C _N y es el valor para el cual se ha diseñado el capacitor. Las condiciones de medición estandarizadas para condensadores electrolíticos son una medición de CA con 0,5 V a una frecuencia de 100/120 Hz y una temperatura de 20 ° C.

El valor de capacitancia de un condensador electrolítico depende de la frecuencia de medición y la temperatura. El valor a una frecuencia de medición de 1 kHz es aproximadamente un 10% menor que el valor de 100/120 Hz. Por lo tanto, los valores de capacitancia de los capacitores electrolíticos no son directamente comparables y difieren de los de los capacitores de película o los capacitores cerámicos , cuya capacitancia se mide a 1 kHz o más.

Medido con un método de medición de CA con 100/120 Hz, el valor de capacitancia medido es el valor más cercano a la carga eléctrica almacenada en el capacitor. La carga almacenada se mide con un método de descarga especial y se llama capacitancia de CC . La capacitancia de CC es aproximadamente un 10% más alta que la capacitancia de CA de 100/120 Hz. La capacitancia de CC es de interés para aplicaciones de descarga como flash fotográfico .

El porcentaje de desviación permitida de la capacitancia medida del valor nominal se llama tolerancia de capacitancia. Los condensadores electrolíticos están disponibles en diferentes series de tolerancia, cuyos valores se especifican en la serie E especificada en IEC 60063. Para el marcado abreviado en espacios reducidos, se especifica un código de letra para cada tolerancia en IEC 60062.

• capacitancia nominal, serie E3 , tolerancia ± 20%, código de letra "M"
• capacitancia nominal, serie E6 , tolerancia ± 20%, código de letra "M"
• capacitancia nominal, serie E12 , tolerancia ± 10%, código de letras "K"

La tolerancia de capacitancia requerida está determinada por la aplicación particular. Los condensadores electrolíticos que se utilizan a menudo para filtrar y derivar condensadores no necesitan tolerancias estrechas porque no se utilizan para aplicaciones de frecuencia precisas, como osciladores .

Voltaje nominal y de categoría

Relación entre la tensión nominal y de categoría y la temperatura nominal y de categoría

En IEC 60384-1 la tensión de funcionamiento permitido se llama la "tensión nominal" U _R o la "tensión nominal" U _N . El voltaje nominal es el voltaje máximo de CC o el voltaje de pulso pico que se puede aplicar continuamente a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal.

La prueba de voltaje de los condensadores electrolíticos, que es directamente proporcional al espesor de la capa dieléctrica, disminuye al aumentar la temperatura. Para algunas aplicaciones, es importante utilizar un rango de temperatura alto. Reducir el voltaje aplicado a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Para algunos tipos de condensadores, por lo tanto, previsto por la norma IEC un segundo "temperatura de reducir la capacidad normal de tensión" para un rango de temperatura más alta, la "tensión de categoría" U _C . El voltaje de categoría es el voltaje de CC máximo, voltaje de pulso pico o voltaje de CA superpuesto que se puede aplicar continuamente a un capacitor a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de la categoría.

Sobretensión

Los condensadores electrolíticos de aluminio se pueden aplicar durante un breve período de tiempo con una sobretensión, también denominada sobretensión. La sobretensión indica el valor máximo de voltaje dentro del rango de temperatura que se puede aplicar durante la vida útil a una frecuencia de 1000 ciclos (con un tiempo de permanencia de 30 segundos y una pausa de 5 minutos y 30 segundos en cada caso) sin causar ningún visible Daño al condensador o un cambio de capacitancia de más del 15%.

Por lo general, para los condensadores con una tensión nominal de ≤ 315 voltios, la sobretensión es 1,15 veces la tensión nominal y para los condensadores con una tensión nominal superior a 315 voltios, la sobretensión es 1,10 veces la tensión nominal.

Voltaje transitorio

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son relativamente insensibles a voltajes transitorios altos y de corta duración superiores a la sobretensión, si la frecuencia y el contenido energético de los transitorios son bajos. Esta capacidad depende del voltaje nominal y del tamaño del componente. Los voltajes transitorios de baja energía conducen a una limitación de voltaje similar a un diodo Zener .

Los procesos de formación de óxido electroquímico tienen lugar cuando se aplica voltaje en la polaridad correcta y genera un óxido adicional cuando surgen transitorios. Esta formación va acompañada de generación de calor e hidrógeno. Esto es tolerable si el contenido de energía del transitorio es bajo. Sin embargo, cuando un voltaje pico transitorio causa una fuerza de campo eléctrico que es demasiado alta para el dieléctrico, puede causar directamente un cortocircuito. No es posible una especificación general e inequívoca de transitorios tolerables o voltajes máximos. En todos los casos que surjan transitorios, la solicitud debe aprobarse cuidadosamente.

Los capacitores electrolíticos con electrolito sólido no pueden soportar transitorios o voltajes máximos más altos que la sobretensión. Los transitorios de este tipo de condensador electrolítico pueden destruir el componente.

Tensión inversa

Un condensador electrolítico explotado en una PCB

Los condensadores electrolíticos son condensadores polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo de ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo. Sin embargo, la lámina de cátodo de los condensadores electrolíticos de aluminio está provista de una capa de óxido natural muy fina originada por el aire. Esta capa de óxido tiene una prueba de voltaje de aproximadamente 1 a 1,5 V.Por lo tanto, los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido pueden soportar continuamente un voltaje inverso muy pequeño y, por ejemplo, se pueden medir con un voltaje de CA de aproximadamente 0,5 V, como especificado en las normas pertinentes.

A un voltaje inverso inferior a -1,5 V a temperatura ambiente, el papel de aluminio del cátodo comienza a formar una capa de óxido correspondiente al voltaje aplicado. Esto está alineado con la generación de gas hidrógeno al aumentar la presión. Al mismo tiempo, la capa de óxido en la lámina del ánodo comienza a disolver el óxido, lo que debilita la prueba de voltaje. Ahora es una cuestión del circuito exterior si el aumento de la presión del gas debido a la oxidación conduce al estallido de la carcasa, o si el óxido del ánodo debilitado conduce a una ruptura con un cortocircuito . Si el circuito exterior es de alta resistencia, el condensador falla y la ventilación se abre debido a la alta presión del gas. Si el circuito exterior es de baja resistencia, es más probable que se produzca un cortocircuito interno. En todos los casos, un voltaje inverso inferior a -1,5 V a temperatura ambiente puede hacer que el componente falle catastróficamente debido a una falla dieléctrica o una sobrepresión, lo que hace que el capacitor explote, a menudo de una manera espectacularmente dramática. Los condensadores electrolíticos modernos tienen una ventilación de seguridad que normalmente es una sección ranurada de la carcasa o un sello de extremo especialmente diseñado para ventilar el gas / líquido caliente, pero las rupturas pueden ser aún dramáticas.

Para minimizar la probabilidad de que un electrolítico polarizado se inserte incorrectamente en un circuito, la polaridad debe estar muy claramente indicada en la carcasa, consulte la sección titulada "Marcado de polaridad".

Se encuentran disponibles condensadores bipolares especiales diseñados para funcionamiento con CA, generalmente denominados tipos "bipolares", "no polarizados" o "NP". En estos, los condensadores tienen dos láminas de ánodo de polaridad opuesta conectadas en serie. En cada una de las mitades alternas del ciclo de CA, un ánodo actúa como un dieléctrico de bloqueo, evitando que el voltaje inverso dañe el ánodo opuesto. La clasificación de voltaje no necesita ser simétrica; Los condensadores "semipolares" se pueden fabricar con diferentes espesores de recubrimientos de óxido, por lo que pueden soportar diferentes voltajes en cada dirección. Pero estos condensadores electrolíticos bipolares no son adaptables para aplicaciones de CA principales en lugar de condensadores de potencia con película de polímero metalizado o dieléctrico de papel.

Impedancia

Circuito equivalente en serie simplificado de un condensador para frecuencias más altas (arriba); diagrama vectorial con reactancias eléctricas X _ESL y X _C y resistencia ESR y, a modo de ilustración, la impedancia Z y el factor de disipación tan δ

En general, un condensador se considera un componente de almacenamiento de energía eléctrica. Pero esta es solo una función de condensador. Un condensador también puede actuar como un AC resistor . Especialmente los condensadores electrolíticos de aluminio se utilizan en muchas aplicaciones como condensadores de desacoplamiento para filtrar o desviar frecuencias de CA polarizadas no deseadas a tierra o para el acoplamiento capacitivo de señales de CA de audio. Entonces, el dieléctrico se usa solo para bloquear DC. Para tales aplicaciones, la resistencia de CA , la impedancia es tan importante como el valor de capacitancia.

La impedancia es la suma vectorial de reactancia y resistencia ; describe la diferencia de fase y la relación de amplitudes entre el voltaje que varía sinusoidalmente y la corriente que varía sinusoidalmente a una frecuencia determinada en un circuito de CA. En este sentido, la impedancia se puede utilizar como la ley de Ohm.

${\ Displaystyle Z = {\ frac {\ hat {u}} {\ hat {\ imath}}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {eff}}} {I _ {\ mathrm {eff}}}}. }$

En otras palabras, la impedancia es una resistencia de CA dependiente de la frecuencia y posee magnitud y fase a una frecuencia particular.

Curvas de impedancia típicas para diferentes valores de capacitancia en función de la frecuencia que muestran la forma típica con valores de impedancia decrecientes por debajo de la resonancia y valores crecientes por encima de la resonancia. Cuanto mayor sea la capacitancia, menor será la frecuencia de resonancia.

En las hojas de datos de los condensadores, solo la magnitud de impedancia | Z | se especifica y simplemente se escribe como "Z". En este sentido, la impedancia es una medida de la capacidad del condensador para pasar corrientes alternas.

La impedancia se puede calcular utilizando los componentes idealizados del circuito equivalente en serie de un capacitor, incluido un capacitor ideal , una resistencia y una inductancia . En este caso, la impedancia a la frecuencia angular   viene dada por la adición geométrica (compleja) de ESR, por una reactancia capacitiva ( Capacitancia ) ${\ Displaystyle \ scriptstyle C}$${\ Displaystyle \ scriptstyle ESR}$${\ Displaystyle \ scriptstyle ESL}$${\ Displaystyle \ omega}$

${\ Displaystyle X_ {C} = - {\ frac {1} {\ omega C}}}$

y por una reactancia inductiva ( inductancia )

${\ Displaystyle X_ {L} = \ omega L _ {\ mathrm {ESL}}}$.

Entonces viene dado por ${\ Displaystyle Z}$

${\ Displaystyle Z = {\ sqrt {{ESR} ^ {2} + (X _ {\ mathrm {C}} + (- X _ {\ mathrm {L}})) ^ {2}}}}$.

En el caso especial de la resonancia , en el que ambas resistencias reactivas y tienen el mismo valor ( ), entonces la impedancia solo está determinada por . ${\ Displaystyle \ scriptstyle X_ {C}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle X_ {L}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle X_ {C} = X_ {L}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle ESR}$

La impedancia especificada en las hojas de datos de varios condensadores a menudo muestra curvas típicas para diferentes valores de capacitancia. La impedancia a la frecuencia resonante define el mejor punto de trabajo para acoplar o desacoplar circuitos. Cuanto mayor sea la capacitancia, menor será el rango de frecuencia operable. Debido a sus grandes valores de capacitancia, los condensadores electrolíticos de aluminio tienen propiedades de desacoplamiento relativamente buenas en el rango de frecuencia más bajo hasta aproximadamente 1 MHz o un poco más. Esto y el precio relativamente bajo son a menudo la razón por la que se utilizan condensadores electrolíticos en fuentes de alimentación estándar o conmutadas de 50/60 Hz .

ESR y factor de disipación tan δ

• Curvas típicas de impedancia y ESR en función de la frecuencia y la temperatura
• 

  Impedancia típica y ESR en función de la frecuencia

• 

  Impedancia típica en función de la temperatura

La resistencia en serie equivalente (ESR) resume todas las pérdidas resistivas del condensador. Estas son las resistencias terminales, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos, la resistencia del electrolito y las pérdidas dieléctricas en la capa de óxido dieléctrico.

La ESR depende de la temperatura y la frecuencia. Para los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido, la ESR generalmente disminuye al aumentar la frecuencia y la temperatura. La ESR influye en la ondulación de CA superpuesta restante detrás del suavizado y puede influir en la funcionalidad del circuito. En relación con el condensador, ESR es responsable de la generación de calor interno si una corriente ondulada fluye sobre el condensador. Este calor interno reduce la vida útil del condensador.

Con referencia a la norma IEC / EN 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos se miden a 10 kHz o 100 kHz, según la capacidad y la tensión del condensador.

Para los condensadores electrolíticos de aluminio, por razones históricas, a veces el factor de disipación tan δ se especifica en las hojas de datos relevantes en lugar del . El factor de disipación está determinado por la tangente del ángulo de fase entre la reactancia capacitiva menos la reactancia inductiva y . Si la inductancia es pequeña, el factor de disipación para una frecuencia dada se puede aproximar como: ${\ Displaystyle \ scriptstyle ESR}$${\ Displaystyle \ scriptstyle X_ {C}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle X_ {L}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle ESR}$${\ Displaystyle \ scriptstyle ESL}$

${\ Displaystyle \ tan \ delta = {\ mbox {ESR}} \ cdot \ omega C}$

Corriente de rizado

La alta corriente de ondulación a través del condensador de suavizado C1 en una fuente de alimentación con rectificación de media onda provoca una generación de calor interna significativa correspondiente a la ESR del condensador

Una corriente de ondulación es el valor RMS de una corriente CA superpuesta de cualquier frecuencia y cualquier forma de onda de la curva de corriente para funcionamiento continuo. Surge, por ejemplo, en las fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación de modo conmutado ) después de rectificar un voltaje de CA y fluye como carga polarizada y corriente de descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado.

Debido a la ESR del condensador, la corriente de ondulación I _R provoca pérdidas de potencia eléctrica P _{V el}

${\ Displaystyle P_ {Vel} = I_ {R} ^ {2} \ cdot \ ESR}$

que dan como resultado la generación de calor dentro del núcleo del devanado del condensador.

Este calor generado internamente, junto con la temperatura ambiente y posiblemente otras fuentes de calor externas, conduce a una temperatura del núcleo del condensador cuya zona más caliente se encuentra en el devanado, con una diferencia de temperatura de Δ T en comparación con la temperatura ambiente. Este calor tiene que distribuirse como pérdidas térmicas P _{V th} sobre la superficie del condensador A y la resistencia térmica β al medio ambiente.

${\ Displaystyle P_ {Vth} = \ Delta T \ cdot A \ cdot \ beta}$

La resistencia térmica β depende del tamaño de la carcasa del condensador relevante y, si corresponde, de las condiciones de refrigeración adicionales.

La corriente de ondulación provoca calor interno, que debe disiparse al entorno ambiental.

Si las pérdidas de potencia generados internamente P _{V EL} disipada por radiación térmica , convección y conducción térmica con el medio ambiente corresponden ambiente a las pérdidas térmicas P _Vth , se da a continuación, un equilibrio de temperatura entre la temperatura del condensador y la temperatura ambiente.

Normalmente, el valor nominal especificado para la corriente de ondulación máxima en las hojas de datos de los fabricantes se calcula para un calentamiento del núcleo del condensador (celda) de 10 ° C para la serie 85 ° C, 5 ° C para la serie 105 ° C y 3 ° C para 125 ° C. Serie ° C.

La corriente de ondulación nominal de los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido se corresponde con la vida útil especificada de la serie de condensadores. Esta corriente puede fluir de forma permanente sobre el condensador hasta la temperatura máxima durante el tiempo especificado o calculado. La corriente de ondulación inferior a la especificada o el enfriamiento forzado alargan la vida útil del condensador.

La vida útil de los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido depende de la velocidad de evaporación y, por tanto, de la temperatura del núcleo del condensador. Con refrigeración forzada o un posicionamiento especial del condensador en la placa de circuito impreso, la vida útil puede verse influida positivamente.

La corriente de ondulación se especifica como un valor efectivo (RMS) a 100 o 120 Hz oa 10 kHz a una temperatura de categoría superior. Las corrientes onduladas no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias sinusoidales simples mediante el análisis de Fourier y resumirse mediante la suma al cuadrado de las corrientes individuales.

${\ Displaystyle I_ {R} = {\ sqrt {{i_ {1}} ^ {2} + {i_ {2}} ^ {2} + {i_ {3}} ^ {2} + {i_ {n} } ^ {2}}}}$

Los pulsos de alta corriente que aparecen periódicamente, que pueden ser mucho más altos que la corriente de ondulación nominal, deben analizarse en el mismo asunto.

Porque la ESR disminuye al aumentar las frecuencias. el valor de la hoja de datos de la corriente de ondulación, especificado a 100/120 Hz, puede ser mayor a frecuencias más altas. En casos como este, los fabricantes especifican factores de corrección para valores de corriente de ondulación a frecuencias más altas. Por ejemplo, la corriente de ondulación a 10 kHz generalmente se puede aproximar a un 30 a 40% más alta que el valor 100/120.

Si la corriente de rizado excede el valor nominal, la generación de calor correspondiente excede el límite de temperatura del capacitor y puede destruir la estructura interna (a prueba de voltaje, punto de ebullición) de los capacitores. Entonces, los componentes tienden a provocar un cortocircuito, una abertura de ventilación o una explosión. Las corrientes de ondulación superiores a los valores nominales solo son posibles con refrigeración forzada.

Estabilidad de carga / descarga

Durante la descarga, la dirección del flujo de corriente en el condensador cambia, el cátodo (-) obtiene un ánodo (+), surgen dos voltajes internos con polaridad opuesta. La regla de construcción del condensador - C _K >> C _A - garantiza que la lámina del cátodo no se forme posteriormente durante la descarga.

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos siempre contienen, además de la lámina del ánodo, una lámina del cátodo que sirve como contacto eléctrico con el electrolito. Esta lámina de cátodo está provista de una capa de óxido natural muy fina, originada por el aire, que actúa también como dieléctrico. Por lo tanto, la construcción condensador forma un circuito en serie de dos condensadores, la capacitancia del ánodo de hoja de C _A y el cátodo de aluminio C _K . Como se describió anteriormente, la capacitancia del condensador C _e-tapa está determinada principalmente por la capacitancia del ánodo C _A cuando el cátodo capacitancia C _K es aproximadamente 10 veces mayor que el ánodo capacitancia C _A .

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos normalmente se pueden cargar hasta el voltaje nominal sin ninguna limitación de corriente. Esta propiedad es el resultado de la movilidad iónica limitada en el electrolito líquido, que ralentiza la rampa de voltaje a través del dieléctrico y la ESR del capacitor.

Durante la descarga, la construcción interna del condensador invierte la polaridad interna. El cátodo (-) obtiene un ánodo (+) y cambia la dirección del flujo de corriente. Sobre estos electrodos surgen dos voltajes. En principio, la distribución de voltaje sobre ambos electrodos se comporta como el producto CV recíproco de cada electrodo.

La regla de diseño de alta capacitancia del cátodo asegura que el voltaje que aparece sobre el cátodo durante la descarga no sea superior a aproximadamente 1,5 V, que es su prueba de voltaje natural originada por el aire. No tiene lugar ninguna postformación adicional de la lámina del cátodo, lo que puede conducir a la degradación de la capacitancia. Entonces los condensadores son a prueba de descarga.

Aumento de corriente, pico o corriente de pulso

Los condensadores electrolíticos de aluminio pequeños (diámetro <25 mm) con electrolitos no sólidos normalmente se pueden cargar hasta el voltaje nominal sin ningún pico de corriente, limitación de pico o pulso hasta un valor de corriente pico de aproximadamente 50 A. Esta propiedad es el resultado de la movilidad iónica limitada en el electrolito líquido, que ralentiza la rampa de voltaje a través del dieléctrico y la ESR del condensador. Solo la frecuencia de los picos integrados a lo largo del tiempo no debe exceder la corriente de ondulación máxima especificada.

Corriente de fuga

Comportamiento general de fuga de condensadores electrolíticos: corriente de fuga en función del tiempo dependiendo del tipo de electrolito.${\ Displaystyle I_ {fuga}}$${\ Displaystyle t}$

  no sólido, alto contenido de agua

  no sólido, orgánico

  sólido, polímero

Curva de corriente de fuga típica de un condensador electrolítico industrial de larga duración con electrolito no sólido

Una propiedad característica de los condensadores electrolíticos es la "corriente de fuga". Esta corriente continua está representada por la _{fuga de} la resistencia R en paralelo con el capacitor en el circuito equivalente en serie de capacitores electrolíticos, y fluye si se aplica un voltaje.

La corriente de fuga incluye todas las imperfecciones débiles del dieléctrico causadas por procesos químicos no deseados y daños mecánicos y es la corriente continua que puede pasar a través del dieléctrico después de aplicar un voltaje con la polaridad correcta. Depende del valor de capacitancia, del voltaje aplicado y la temperatura del capacitor, del tiempo de medición, del tipo de electrolito y de condiciones previas como el tiempo de almacenamiento previo sin voltaje aplicado o estrés térmico por soldadura. (Todos los condensadores electrolíticos no sólidos necesitan un tiempo de recuperación de algunas horas después de la soldadura antes de medir la corriente de fuga. Los condensadores de chip no sólido necesitan un tiempo de recuperación después de la soldadura por reflujo de aproximadamente 24 horas). La corriente de fuga se reduce aplicando voltaje de funcionamiento por sí mismos. -procesos curativos.

La corriente de fuga cae en los primeros minutos después de aplicar voltaje de CC. En este tiempo, la capa de óxido dieléctrico puede reparar todas las debilidades mediante la construcción de nuevas capas en un proceso de autocuración. El tiempo que tarda la corriente de fuga en bajar generalmente depende del tipo de electrolito. La corriente de fuga de electrolitos sólidos cae mucho más rápido que en el caso de los tipos no sólidos, pero permanece en un nivel algo más alto. Los condensadores electrolíticos húmedos con electrolitos de alto contenido de agua en los primeros minutos generalmente tienen una corriente de fuga más alta que aquellos con electrolitos orgánicos, pero después de varios minutos alcanzan el mismo nivel. Aunque la corriente de fuga de los condensadores electrolíticos es mayor en comparación con el flujo de corriente sobre la resistencia de aislamiento en los condensadores cerámicos o de película, la autodescarga de los condensadores electrolíticos no sólidos modernos puede tardar varias semanas.

La corriente de fuga I _fuga especificación en las hojas de datos del fabricante se refiere a valor de capacitancia del condensador C _R , la tensión nominal U _R , un factor de correlación y un valor de corriente mínimo. Por ejemplo,

${\ Displaystyle I _ {\ mathrm {Fuga}} = 0 {.} 01 \, \ mathrm {{A} \ over {V \ cdot F}} \ cdot U _ {\ mathrm {R}} \ cdot C _ {\ mathrm {R}} +3 \, \ mathrm {\ mu A}}$

Después de un tiempo de medición de 2 o 5 minutos, dependiendo de la especificación de la hoja de datos, el valor de la corriente de fuga medida debe ser menor que el valor calculado. Normalmente, la corriente de fuga es siempre menor cuanto más tiempo se aplica el voltaje del condensador. La corriente de fuga durante el funcionamiento después de, por ejemplo, una hora es la corriente de fuga operativa. Este valor depende en gran medida de las características de la serie del fabricante. Podría ser inferior a 1/100 del valor especificado.

La corriente de fuga depende del voltaje aplicado y la temperatura ambiente. El valor durante el funcionamiento continuo a 85 ° C es aproximadamente cuatro veces mayor que a 20 ° C. De lo contrario, el valor es aproximadamente la mitad, lo que reduce la tensión aplicada al 70% de la tensión nominal.

Los condensadores electrolíticos de aluminio no sólido que pierden corriente después de un tiempo de funcionamiento de, por ejemplo, una hora, permanecen en un nivel superior al especificado. En su mayoría, se han dañado mecánicamente internamente debido a una gran tensión mecánica durante el montaje.

Absorción dieléctrica (remojo)

La absorción dieléctrica se produce cuando un condensador que ha permanecido cargado durante mucho tiempo se descarga solo de forma incompleta cuando se descarga brevemente. Aunque un capacitor ideal alcanzaría cero voltios después de la descarga, los capacitores reales desarrollan un pequeño voltaje a partir de la descarga de dipolo retardada, un fenómeno que también se llama relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería".

La absorción dieléctrica puede ser un problema en circuitos que utilizan corrientes muy pequeñas en circuitos electrónicos, como integradores de constantes de tiempo prolongado o circuitos de muestreo y retención . La absorción dieléctrica no es un problema en la mayoría de las aplicaciones de condensadores electrolíticos que soportan líneas de suministro de energía.

Pero especialmente para condensadores electrolíticos con voltaje nominal alto, el voltaje en los terminales generado por la absorción dieléctrica puede ser un riesgo de seguridad para el personal o los circuitos. Para evitar descargas, la mayoría de los condensadores muy grandes se envían con cables de cortocircuito que deben retirarse antes de su uso.

Modos de confiabilidad, vida útil y falla

Fiabilidad (tasa de fallos)

Curva de la bañera con tiempos de "fallas tempranas", "fallas aleatorias" y "fallas por desgaste". El tiempo de fallas aleatorias es el tiempo de tasa de falla constante y se corresponde con la vida útil de los condensadores electrolíticos no sólidos.

La predicción de confiabilidad de los capacitores electrolíticos de aluminio se expresa generalmente como una tasa de falla λ, abreviado FIT (Failures In Time). Es una medida del número de fallas por unidad de hora durante el tiempo de fallas aleatorias constantes en la curva de la bañera . La parte plana de la curva de la bañera se corresponde con la vida útil calculada o la vida útil de los condensadores electrolíticos no sólidos. La tasa de fallas se usa para calcular una probabilidad de supervivencia durante la vida útil deseada de un circuito electrónico en combinación con otros componentes participantes.

FIT es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 ⁹ ) componentes-horas de funcionamiento en condiciones de trabajo fijas (por ejemplo, 1000 componentes durante 1 millón de horas o 1 millón de componentes durante 1000 horas (1  ppm / 1000 horas) cada uno durante el período de fallas aleatorias constantes. Este modelo de tasa de fallas asume implícitamente la idea de "falla aleatoria". Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios pero a una tasa predecible. Las fallas son cortocircuitos, circuitos abiertos y fallas de degradación (que exceden los límites especificados de parámetros eléctricos).

El valor recíproco de FIT es el MTBF, el tiempo medio entre fallos .

Las condiciones de operación estándar para el FIT tasa de fracaso son 40 ° C y 0,5 U _R . Para otras condiciones de voltaje aplicado, carga de corriente, temperatura, valor de capacitancia, resistencia del circuito (para capacitores de tantalio), influencias mecánicas y humedad, la figura FIT puede recalcularse con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales o militares. Cuanto mayor sea la temperatura y el voltaje aplicado, mayor será la tasa de falla.

Es bueno saber que para los condensadores con electrolitos sólidos la tasa de fallo se expresa a menudo como por ciento falló componentes por cada mil horas (n% / 1.000 h), y se especifica en las condiciones de referencia de 85 ° C y la tensión nominal U _R . Es decir, "n" número de componentes defectuosos por 10 ⁵ horas, o en FIT el valor de diez mil veces por 10 ⁹ horas, pero para diferentes condiciones de referencia. Para estas otras condiciones, la cifra "% I1000 h" se puede volver a calcular con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales o militares.

La mayoría de los condensadores electrolíticos de aluminio modernos con electrolitos no sólidos en la actualidad son componentes muy confiables con tasas de falla muy bajas, con una esperanza de vida prevista de décadas en condiciones normales. Es una buena práctica hacer que los capacitores electrolíticos pasen un paso del proceso de postformación después de la producción, similar a un " quemado " , de modo que las fallas tempranas se eliminen durante la producción. Los valores de FIT que se dan en las hojas de datos se calculan a partir de la experiencia de muchos años de el fabricante, basado en los resultados de la prueba de vida útil. Los valores típicos de la tasa de falla de referencia para los capacitores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos son para tipos de baja tensión (6.3-160 V) tasas de FIT en el rango de 1 a 20 FIT y para tipos de alta tensión (> 160–550 V) Índices FIT en el rango de FIT de 20 a 200. Los índices de falla de campo para los capacitores de aluminio están en el rango de 0.5 a 20 FIT.

Los datos para la especificación de "tasa de falla" se basan en los resultados de las pruebas de por vida (pruebas de resistencia). Además, a veces se especifica una "tasa de fallas de campo". Estas cifras provienen de grandes clientes que notaron fallas en el campo fuera de su aplicación. Las tasas de fallas de campo podrían tener valores mucho más bajos. Para los condensadores electrolíticos de aluminio, están en el rango de 0.5 a 20 FIT. Los valores de la tasa de fallas de campo están en línea con los órdenes de magnitud habituales para los componentes electrónicos.

Vida útil, vida útil

Los valores eléctricos de los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos cambian con el tiempo debido a la evaporación del electrolito. Al alcanzar los límites especificados de los parámetros eléctricos, los condensadores cuentan como "falla por desgaste". El gráfico muestra este comportamiento en una prueba de resistencia de 2000 h a 105 ° C.

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos tienen una posición excepcional entre los componentes electrónicos porque trabajan con un electrolito como ingrediente líquido. El electrolito líquido determina el comportamiento dependiente del tiempo de los condensadores electrolíticos. Envejecen con el tiempo a medida que el electrolito se evapora. Esto también implica que hay una fuerte disminución en la vida útil con el aumento de temperatura. Como regla general, cada aumento de 10 grados reduce a la mitad la vida útil. Este secado muy lento del electrolito depende de la construcción de la serie, la temperatura ambiente, el voltaje y la carga de corriente de ondulación. Bajar el electrolito con el tiempo influye en la capacitancia, impedancia y ESR de los capacitores. La capacitancia disminuye y la impedancia y la ESR aumentan con cantidades decrecientes de electrolito. La corriente de fuga disminuye porque todas las debilidades se curan después del largo tiempo de formación. A diferencia de los capacitores electrolíticos con electrolitos sólidos, los capacitores electrolíticos "húmedos" tienen un "final de vida útil" cuando los componentes alcanzan los cambios máximos especificados de capacitancia, impedancia o ESR. El período de tiempo hasta el "final de la vida útil" se denomina "vida útil", "vida útil", "vida útil" o "vida útil". Representa el tiempo de tasa de falla constante en la curva de la bañera de tasa de falla.

En condiciones ambientales normales, los condensadores electrolíticos pueden tener una vida útil de más de 15 años, pero esto puede limitarse según el comportamiento de degradación del tapón de goma (que normalmente no se envejece durante las pruebas de vida útil). Esta clasificación se prueba con una prueba de envejecimiento acelerado llamada "prueba de resistencia" de acuerdo con IEC 60384-4-1 con voltaje nominal a la temperatura de categoría superior. Uno de los desafíos de esta prueba de envejecimiento es el tiempo necesario para extraer resultados significativos. En respuesta a las demandas de una vida útil prolongada y un rendimiento a alta temperatura de las aplicaciones automotrices y de energía verde (microvinversores solares, LED, turbinas eólicas, etc.), algunos condensadores requieren más de un año de pruebas (10000 horas) antes de que puedan ser calificados. Debido a esta limitación, ha habido un interés creciente en metodologías para acelerar la prueba de una manera que aún produzca resultados relevantes.

El gráfico de la derecha muestra el comportamiento de los parámetros eléctricos de los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos debido a la evaporación del electrolito en una prueba de resistencia de 2000 h a 105 ° C. El proceso de secado también es detectable por la pérdida de peso.

Después de esta prueba de resistencia los límites de parámetros especificados para pasar la prueba son, por un lado, no fallas totales (cortocircuito, circuito abierto) y por otro lado, no alcanzar falla por degradación, una reducción de capacitancia superior al 30% y un aumento de la ESR, impedancia o factor de pérdida en más de un factor de 3 en comparación con el valor inicial. Los parámetros del componente probado más allá de estos límites pueden contarse como evidencia de falla por degradación.

El tiempo de prueba y la temperatura dependen de la serie probada. Esa es la razón de las muchas especificaciones de vida útil diferentes en las hojas de datos de los fabricantes, que se dan en forma de indicación de tiempo / temperatura, por ejemplo: 2000 h / 85 ° C, 2000 h / 105 ° C, 5000 h / 105 ° C, 2000 h / 125 ° C. Esta cifra especifica la vida útil mínima de los condensadores de una serie, cuando se exponen a la temperatura máxima con la tensión nominal aplicada.

Con referencia a la prueba de resistencia, esta especificación no incluye la carga de los condensadores con el valor de corriente de ondulación nominal. Pero el calor interno adicional de 3 a 10 K, dependiendo de la serie, que genera la corriente de ondulación, suele ser tenido en cuenta por el fabricante debido a los márgenes de seguridad a la hora de interpretar los resultados de sus pruebas de resistencia. Una prueba con una corriente de ondulación aplicada real es asequible para cualquier fabricante.

La vida útil de un condensador para diferentes condiciones operativas se puede estimar utilizando fórmulas especiales o gráficos especificados en las hojas de datos de fabricantes serios. Utilizan diferentes formas de lograr la especificación; algunos proporcionan fórmulas especiales, otros especifican el cálculo de la vida útil del condensador con gráficos que tienen en cuenta la influencia del voltaje aplicado. El principio básico para calcular el tiempo en condiciones operativas es la llamada "regla de los 10 grados".

Esta regla también se conoce como la regla de Arrhenius . Caracteriza el cambio de velocidad de reacción térmica. Por cada 10 ° C de temperatura más baja, la evaporación se reduce a la mitad. Eso significa que por cada 10 ° C de temperatura más baja, la vida útil de los condensadores se duplica.

${\ Displaystyle L_ {x} = L _ {\ text {Spec}} \ cdot 2 ^ {\ frac {T_ {0} -T_ {A}} {10}}}$

• L _x = tiempo de vida por estimar
• L _Spec = tiempo de vida especificado (vida útil, vida de carga, vida útil)
• T ₀ = temperatura de categoría superior (° C)
• T _A = temperatura (° C) de la carcasa o temperatura ambiente cerca del condensador

Si la especificación de vida útil de un condensador electrolítico es, por ejemplo, 2000 h / 105 ° C, la vida útil del condensador a 45 ° C se puede "calcular" en 128 000 horas, aproximadamente 15 años, utilizando la regla de los 10 grados. Aunque el resultado de una vida útil más larga a temperaturas más bajas proviene de un cálculo matemático, el resultado es siempre una estimación del comportamiento esperado de un grupo de componentes similares.

La vida útil de los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos depende de la velocidad de evaporación y, por tanto, de la temperatura del núcleo del condensador. Esta temperatura central, por otro lado, depende de la carga de corriente de ondulación. El uso de la regla de los 10 grados con la temperatura de la carcasa del condensador ofrece una buena aproximación a las condiciones operativas. En caso de corrientes de ondulación más altas, la vida útil podría verse influida positivamente con el enfriamiento forzado.

Cerca del final de la vida útil del condensador, comienza a aparecer una falla por degradación. Al mismo tiempo, termina el rango de la tasa de falla constante. Pero incluso después de exceder el final de vida especificado del capacitor, el circuito electrónico no está en peligro inmediato; solo se reduce la funcionalidad del condensador. Con los altos niveles actuales de pureza en la fabricación de condensadores electrolíticos, no es de esperar que se produzcan cortocircuitos después del final de su vida útil con evaporación progresiva combinada con degradación de los parámetros.

Modos de fallo

Condensadores electrolíticos de aluminio defectuosos con ventilación abierta causada por el uso de un electrolito incorrecto

Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos tienen, en términos de calidad, una imagen pública relativamente negativa. Esto es contrario a la experiencia industrial, donde los condensadores electrolíticos se consideran componentes fiables si se utilizan dentro de sus especificaciones especificadas durante la vida útil calculada. La imagen pública negativa podría deberse, entre otras razones, a que los condensadores electrolíticos defectuosos de los dispositivos son fáciles e inmediatamente visibles. Esto es excepcional y no es el caso de otros componentes electrónicos.

Al igual que con cualquier producto industrial, se conocen causas específicas de modos de falla para los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos. Se pueden diferenciar en causas de fallas por desarrollo y producción de capacitores, por producción de dispositivos, por aplicación de capacitores o por influencias externas durante el uso.

Las industrias de fabricación de condensadores solo pueden influir en el primer modo de falla. La mayoría de los fabricantes han tenido departamentos de control de calidad bien estructurados durante décadas, supervisando todos los pasos de desarrollo y fabricación. Los diagramas de flujo del modo de falla lo demuestran. Sin embargo, no se conoce un modo de falla importante típico causado física o químicamente durante la aplicación, como la "cristalización de campo" para los capacitores de tantalio, para los capacitores electrolíticos de aluminio no sólido.

Comportamiento del condensador después de almacenamiento o desuso

En muchos sectores, los condensadores electrolíticos se consideran componentes muy poco fiables en comparación con otros pasivos. Esto es en parte una función de la historia de estos componentes. Los condensadores fabricados durante y antes de la Segunda Guerra Mundial a veces sufrían contaminación durante la fabricación manual y, en particular, las sales de cloro eran a menudo la razón de los procesos corrosivos que conducían a altas corrientes de fuga. El cloro actúa sobre el aluminio como catalizador para la formación de óxido inestable sin unirse químicamente.

Después de la Segunda Guerra Mundial se conoció este problema, pero el equipo de medición no era lo suficientemente preciso para detectar cloro en concentraciones de ppm muy bajas. La situación mejoró durante los siguientes 20 años y los condensadores se volvieron lo suficientemente buenos para aplicaciones de mayor duración. Esto conduce a su vez a una corrosión provocada por el agua previamente inadvertida, que debilita la capa estable de óxido dieléctrico durante el almacenamiento o desuso. Esto conduce a corrientes de fuga elevadas después del almacenamiento. La mayoría de los electrolitos en ese tiempo contienen agua y muchos de los capacitores llegan al final de su vida útil al secarse. La corrosión provocada por el agua fue el motivo de las instrucciones de preacondicionamiento recomendadas.

La primera solución en la década de 1970 fue el desarrollo de sistemas de electrolitos sin agua basados ​​en disolventes orgánicos. Sus ventajas, entre otras cosas, eran corrientes de fuga más bajas y una vida útil casi ilimitada, pero esto conducía a otro problema: la creciente producción en masa con máquinas de inserción automática requiere un lavado de las placas de circuito impreso después de la soldadura; estas soluciones de limpieza contenían agentes de cloroalcano ( CFC ). Estas soluciones de halógeno a veces penetran en el sello de un condensador e inician la corrosión por cloro. Nuevamente hubo un problema de fuga de corriente.

El uso de CFC como disolventes para la limpieza en seco se ha eliminado, por ejemplo, por la directiva IPPC sobre gases de efecto invernadero en 1994 y por la directiva de compuestos orgánicos volátiles (COV) de la UE en 1997. Mientras tanto, se han desarrollado sistemas electrolíticos con aditivos para inhibir la reacción entre el óxido de aluminio anódico y el agua, que resuelven la mayoría de los problemas de alta corriente de fuga después del almacenamiento.

La capacidad de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólido para tener un comportamiento estable durante períodos de almacenamiento más prolongados se puede probar mediante una prueba de aceleración del almacenamiento de los condensadores a su temperatura de categoría superior durante un período determinado, generalmente 1000 horas sin aplicar voltaje. Esta "prueba de vida útil" es un buen indicador de un comportamiento químico inerte del sistema electrolítico frente a la capa de óxido de aluminio dieléctrico porque todas las reacciones químicas se aceleran con las altas temperaturas. Casi todas las series de condensadores actuales cumplen la prueba de vida útil de 1000 horas, lo que equivale a un mínimo de cinco años de almacenamiento a temperatura ambiente. Los condensadores electrolíticos modernos no necesitan preacondicionamiento después de dicho almacenamiento. Sin embargo, muchas series de condensadores se especifican solo para un tiempo de almacenamiento de dos años, pero el límite lo establece la oxidación de los terminales y los problemas de soldabilidad resultantes.

Para restaurar equipos de radio antiguos que utilizan condensadores electrolíticos más antiguos construidos en la década de 1970 o antes, a menudo se recomienda el "preacondicionamiento". Para ello, la tensión nominal se aplica al condensador a través de una resistencia en serie de aproximadamente 1 kΩ durante un período de una hora. Al aplicar un voltaje a través de una resistencia de seguridad, la capa de óxido se repara automáticamente, pero lentamente, minimizando el calentamiento interno. Si los condensadores aún no cumplen con los requisitos de corriente de fuga después del preacondicionamiento, puede ser una indicación de daño permanente.

Información adicional

Símbolos de condensadores

Condensador electrolítico	Condensador electrolítico	Condensador electrolítico	Condensador electrolítico bipolar

Símbolos de condensadores

Coneccion paralela

Los condensadores electrolíticos de aluminio más pequeños o de bajo voltaje se pueden conectar en paralelo sin ninguna acción de corrección de seguridad. Los condensadores de gran tamaño, especialmente los de gran tamaño y los tipos de alto voltaje, deben protegerse individualmente contra la carga de energía repentina de todo el banco de condensadores debido a una muestra defectuosa.

Conexión en serie

Algunas aplicaciones, como los convertidores CA / CA con enlace CC para controles de frecuencia en redes trifásicas, necesitan voltajes más altos que los que suelen ofrecer los condensadores electrolíticos. Para tales aplicaciones, los condensadores electrolíticos se pueden conectar en serie para aumentar la capacidad de resistencia al voltaje. Durante la carga, el voltaje en cada uno de los condensadores conectados en serie es proporcional a la inversa de la corriente de fuga del condensador individual. Dado que cada condensador difiere algo en la corriente de fuga individual, los condensadores con una corriente de fuga más alta obtendrán menos voltaje. El equilibrio de voltaje sobre los condensadores conectados en serie no es simétrico. Se debe proporcionar un equilibrio de voltaje pasivo o activo para estabilizar el voltaje en cada condensador individual.

Marcas impresas

Los condensadores electrolíticos, como la mayoría de los demás componentes electrónicos, tienen marcas impresas para indicar el fabricante, el tipo, las características eléctricas y térmicas y la fecha de fabricación. En el caso ideal, si son lo suficientemente grandes, el condensador debe estar marcado con:

• Nombre o marca comercial del fabricante;
• Designación de tipo del fabricante;
• Polaridad de las terminaciones (para condensadores polarizados)
• Capacitancia nominal;
• Tolerancia a la capacitancia nominal
• Voltaje nominal y naturaleza del suministro (CA o CC)
• Categoría climática o temperatura nominal;
• Año y mes (o semana) de fabricación;

Los condensadores más pequeños utilizan una notación abreviada para mostrar toda la información relevante en el espacio limitado disponible. El formato más utilizado es: XYZ K / M VOLTS V, donde XYZ representa la capacitancia en µF, las letras K o M indican la tolerancia (± 10% y ± 20% respectivamente) y VOLTS V representa la tensión nominal. Ejemplo:

• Un capacitor con el siguiente texto en su cuerpo: 10M 25 tiene una capacitancia de 10 µF, tolerancia K = ± 10% con una tensión nominal de 25 V.

La capacitancia, la tolerancia y la fecha de fabricación también se pueden identificar con un código corto de acuerdo con IEC 60062. Ejemplos de marcación corta de la capacitancia nominal (microfaradios):

• µ47 = 0,47 µF, 4 µ7 = 4,7 µF, 47 µ = 47 µF

La fecha de fabricación a menudo se imprime de acuerdo con las normas internacionales en forma abreviada.

• Versión 1: codificación con código numérico año / semana, "1208" es "2012, semana número 8".
• Versión 2: codificación con código de año / código de mes,

Código de año: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010 , "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, "E" = 2014, "F" = 2015, etc. Código de mes: "1" a "9" = enero a septiembre, " O "= octubre," N "= noviembre," D "= diciembre" C5 "es entonces" 2012, mayo "

Marcado de polaridad

• Marcado de polaridad para condensadores electrolíticos de aluminio sólido y no sólido
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• Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido tienen una marca de polaridad en el lado del cátodo (menos)
• Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo (positivo)

Marcado de polaridad en un condensador de chip SMD-V

Los condensadores electrolíticos de estilo SMD con electrolito no sólido (chips verticales, chips V) tienen un semicírculo relleno de color o una barra menos en el lado de la carcasa superior visible para indicar el lado del terminal negativo. Además, la placa aislante debajo del cuerpo del capacitor usa dos bordes sesgados para indicar que el terminal negativo está en la posición de complemento.

Los capacitores electrolíticos radiales o de un solo extremo tienen una barra en el costado del capacitor para indicar el terminal negativo. El cable del terminal negativo es más corto que el cable del terminal positivo. Además, el terminal negativo puede tener una superficie moleteada estampada en la parte superior de la orejeta de conexión.

Los estilos de condensadores electrolíticos axiales tienen una barra a lo largo o alrededor de la carcasa que apunta al extremo del cable negativo para indicar el terminal negativo. El terminal positivo del condensador está en el lado del sellado. El cable del terminal negativo es más corto que el cable del terminal positivo.

En una placa de circuito impreso , se acostumbra indicar la orientación correcta utilizando una almohadilla cuadrada con orificio pasante para el cable positivo y una almohadilla redonda para el negativo.

Estandarización

La estandarización para todos los componentes eléctricos , electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), una organización de estándares internacionales no gubernamental y sin fines de lucro .

La definición de las características y el procedimiento de los métodos de prueba de los condensadores para su uso en equipos electrónicos se establecen en la Especificación Genérica:

• IEC / EN 60384-1— Condensadores fijos para uso en equipos electrónicos

Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores electrolíticos de aluminio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos estandarizados se establecen en las siguientes Especificaciones Seccionales:

• IEC / EN 60384-3— Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido de dióxido de manganeso
• IEC / EN 60384-4— Condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido (MnO ₂ ) y no sólido
• IEC / EN 60384-18: condensadores electrolíticos de aluminio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido (MnO ₂ ) y no sólido
• IEC / EN 60384-25— Condensadores electrolíticos de aluminio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido de polímero conductor
• IEC / EN 60384-26: condensadores electrolíticos de aluminio fijos con electrolito sólido de polímero conductor

Aplicaciones y mercado

Aplicaciones

Las aplicaciones típicas de los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son:

• Condensadores de desacoplamiento de entrada y salida para suavizar y filtrar en fuentes de alimentación de CA y fuentes de alimentación de modo conmutado , así como en convertidores CC / CC
• Condensadores de enlace de CC en convertidores CA / CA para variadores de frecuencia y cambiadores de frecuencia , así como en sistemas de alimentación ininterrumpida
• Condensadores de corrección para corrección del factor de potencia
• Almacenamiento de energía para airbags , dispositivos de flash , detonadores civiles
• Condensadores de arranque de motor para motores de CA
• Condensadores bipolares para acoplamiento de señales de audio
• Condensador de flash para flashes de cámara

Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Condensadores económicos con altos valores de capacitancia para filtrar frecuencias más bajas
• Mayor densidad de energía que los condensadores de película y los condensadores cerámicos
• Mayor densidad de potencia que los supercondensadores
• No se requiere limitación de corriente máxima
• Impasible para los transitorios
• Gran diversificación en estilos, series con vidas útiles, temperaturas y parámetros eléctricos personalizados
• Muchos fabricantes

Desventajas:

• Vida útil limitada debido a la evaporación
• Comportamiento relativamente pobre de ESR y Z a temperaturas muy bajas
• Sensible al estrés mecánico
• Sensible a la contaminación con halogenados
• Aplicación polarizada

Mercado

El mercado de condensadores electrolíticos de aluminio en 2010 fue de alrededor de 3.900 millones de dólares estadounidenses (aproximadamente 2.900 millones de euros), aproximadamente el 22% del valor del mercado total de condensadores de aproximadamente 18.000 millones de dólares estadounidenses (2008). En número de piezas, estos condensadores cubren alrededor del 6% del mercado total de condensadores de entre 70 y 80 mil millones de piezas.

Fabricantes y productos

Referencias