Condensador de polímero - Polymer capacitor

Condensadores de chip electrolítico de polímero de aluminio (negro) y tantalio (marrón) de forma rectangular

Condensadores electrolíticos de polímero de aluminio cilíndricos (enrollados)

Un condensador de polímero , o más exactamente un condensador electrolítico de polímero , es un condensador electrolítico (e-cap) con un electrolito de polímero conductor sólido . Hay cuatro tipos diferentes:

• Condensador electrolítico de polímero de tantalio (polímero Ta-e-cap)
• Condensador electrolítico de polímero de aluminio (polímero Al-e-cap)
• Condensador de polímero híbrido (polímero híbrido Al-e-cap)
• Condensadores electrolíticos de polímero de niobio

Las tapas de polímero Ta-e están disponibles en estilo de chip de dispositivo montado en superficie rectangular ( SMD ). Las tapas de polímero Al-e y las tapas híbridas de polímero Al-e están disponibles en estilo de chip de dispositivo de montaje en superficie rectangular (SMD), en estilo SMD cilíndrico (chips en V) o como versiones con terminales radiales (un solo extremo).

Los condensadores electrolíticos de polímero se caracterizan por resistencias en serie equivalentes internas (ESR) particularmente bajas y altas clasificaciones de corriente de ondulación. Sus parámetros eléctricos tienen una dependencia de la temperatura, una fiabilidad y una vida útil similares en comparación con los condensadores de tantalio sólido, pero tienen una dependencia de la temperatura mucho mejor y una vida útil considerablemente más larga que los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos. En general, los e-caps de polímero tienen una clasificación de corriente de fuga más alta que los otros condensadores electrolíticos sólidos o no sólidos.

Los condensadores electrolíticos de polímero también están disponibles en una construcción híbrida. Los condensadores electrolíticos híbridos de polímero de aluminio combinan un electrolito de polímero sólido con un electrolito líquido. Estos tipos se caracterizan por valores bajos de ESR, pero tienen bajas corrientes de fuga y son insensibles a los transitorios; sin embargo, tienen una vida útil dependiente de la temperatura similar a la de los e-caps no sólidos.

Los condensadores electrolíticos de polímero se utilizan principalmente en fuentes de alimentación de circuitos electrónicos integrados como condensadores de búfer, bypass y desacoplamiento, especialmente en dispositivos con diseño plano o compacto. Por lo tanto, compiten con los capacitores MLCC , pero ofrecen valores de capacitancia más altos que los MLCC y no muestran ningún efecto microfónico (como los capacitores cerámicos de clase 2 y 3 ).

Historia

Los condensadores electrolíticos de aluminio (Al-e-caps) con electrolitos líquidos fueron inventados en 1896 por Charles Pollak .

Los capacitores electrolíticos de tantalio con electrolitos sólidos de dióxido de manganeso (MnO ₂ ) fueron inventados por Bell Laboratories a principios de la década de 1950, como un capacitor de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar el transistor recién inventado , ver Capacitor de tantalio . Los primeros Ta-e-caps con electrolitos de MnO ₂ tenían una conductividad 10 veces mejor y una carga de corriente de ondulación más alta que los tipos anteriores de Al-e-caps con electrolito líquido. Además, a diferencia de los Al-e-caps estándar, la resistencia en serie equivalente (ESR) de los Ta-caps es estable a temperaturas variables.

Conductividades de algunos electrolitos

Durante la década de 1970, la creciente digitalización de los circuitos electrónicos se produjo con la disminución de los voltajes operativos y el aumento de las frecuencias de conmutación y las cargas de corriente de ondulación. Esto tuvo consecuencias para las fuentes de alimentación y sus condensadores electrolíticos. Se necesitaban condensadores con menor ESR y menor inductancia en serie equivalente (ESL) para los condensadores de derivación y desacoplamiento utilizados en las líneas de suministro de energía. ver Papel de ESR, ESL y capacitancia .

Un gran avance se produjo en 1973, con el descubrimiento por A. Heeger y F. Wudl de un conductor orgánico, la sal de transferencia de carga TCNQ. TCNQ ( 7,7,8,8-tetracianoquinodimetano o Nn-butil isoquinolinio en combinación con TTF ( tetratiafulvaleno )) es una molécula de cadena de estructura unidimensional casi perfecta que tiene una conductividad 10 veces mejor a lo largo de las cadenas que el MnO ₂ y tiene una conductividad 100 veces mejor que los electrolitos no sólidos.

Los condensadores OS-CON con electrolito sólido TCNQ tenían una manga aislante lila típica

Los primeros Al-e-caps que utilizaron la sal de transferencia de carga TTF-TCNQ como electrolito orgánico sólido fue la serie OS-CON ofrecida en 1983 por Sanyo . Estos eran condensadores cilíndricos enrollados con una conductividad electrolítica 10 veces mayor en comparación con el MnO ₂

Estos condensadores se utilizaron en dispositivos para aplicaciones que requerían la ESR más baja posible o la corriente de ondulación más alta posible. Un e-cap OS-CON podría reemplazar tres e-caps más voluminosos "mojados" o dos Ta-caps. En 1995, Sanyo OS-CON se convirtió en el condensador de desacoplamiento preferido para las computadoras personales IBM basadas en procesadores Pentium. La línea de productos Sanyo OS-CON e-cap se vendió en 2010 a Panasonic. Panasonic luego reemplazó la sal TCNQ con un polímero conductor de la misma marca.

El siguiente paso en la reducción de la ESR fue el desarrollo de polímeros conductores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa en 1975. La conductividad de polímeros conductores como el polipirrol (PPy) o PEDOT es mejor que la del TCNQ por un factor de 100 a 500, y cerca de la conductividad de los metales.

En 1988, el fabricante japonés Nitsuko lanzó el primer e-cap de electrolito de polímero, "APYCAP" con electrolito de polímero PPy. El producto no tuvo éxito, en parte porque no estaba disponible en versiones SMD.

En 1991, Panasonic lanzó su serie de polímero Al-e-cap "SP-Cap". Estos e-caps usaban electrolito de polímero PPy y alcanzaron valores de ESR que eran directamente comparables a los condensadores cerámicos multicapa (MLCC). Todavía eran menos costosos que los capacitores de tantalio y con su diseño plano útil en dispositivos compactos como computadoras portátiles y teléfonos celulares, también competían con los capacitores de chip de tantalio.

Los condensadores electrolíticos de tantalio con cátodo de electrolito de polímero PPy siguieron tres años después. En 1993 NEC presentó sus tapones Ta-e-caps de polímero SMD llamados "NeoCap". En 1997 Sanyo siguió con los chips de tantalio de polímero "POSCAP".

Kemet presentó un nuevo polímero conductor para condensadores de polímero de tantalio en la conferencia "1999 Carts". Este condensador utilizó el polímero conductor orgánico recientemente desarrollado PEDT ( Poli (3,4-etilendioxitiofeno) ), también conocido como PEDOT (nombre comercial Baytron®).

Dos años más tarde, en la Conferencia APEC de 2001, Kemet introdujo en el mercado tapas electrónicas de polímero de aluminio PEDOT. El polímero PEDOT tiene una mayor estabilidad a la temperatura y, como solución PEDOT: PSS, este electrolito podría insertarse solo por inmersión en lugar de la polimerización in situ como para PPy, lo que hace que la producción sea más rápida y económica. Su serie AO-Cap incluía condensadores SMD con ánodo apilado en tamaño "D" con alturas de 1.0 a 4.0 mm, en competencia con los Panasonic SP-Caps que usaban PPy en ese momento.

Alrededor del cambio de milenio se desarrollaron condensadores de polímero híbrido, que tienen además del electrolito de polímero sólido un electrolito líquido que conecta las capas de polímero que cubren la capa dieléctrica del ánodo y la lámina del cátodo. El electrolito no sólido proporciona oxígeno con fines de autocuración para reducir la corriente de fuga. En 2001, NIC lanzó un e-cap de polímero híbrido para reemplazar un tipo de polímero a un precio más bajo y con una corriente de fuga más baja. A partir de 2016, varios fabricantes ofrecen condensadores de polímero híbrido.

Conceptos básicos de la aplicación

Papel de ESR, ESL y capacitancia

La aplicación predominante de todos los condensadores electrolíticos está en las fuentes de alimentación . Se utilizan en capacitores de suavizado de entrada y salida, como capacitores de desacoplamiento para hacer circular la corriente armónica en un bucle corto, como capacitores de derivación para derivar el ruido de CA a tierra al desviar las líneas de suministro de energía, como capacitores de respaldo para mitigar la caída en el voltaje de línea. durante una demanda repentina de energía o como condensador de filtro en un filtro de paso bajo para reducir los ruidos de conmutación. En estas aplicaciones, además del tamaño, están la capacitancia, la impedancia Z , la ESR, y la inductancia ESL características eléctricas importantes para la funcionalidad de estos capacitores en los circuitos.

Para una demanda de energía repentina de un circuito posterior, el voltaje de suministro cae por ESL, ESR y pérdida de carga de capacitancia

El cambio a equipos electrónicos digitales condujo al desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas con frecuencias más altas y convertidores CC / CC "integrados" , tensiones de alimentación más bajas y corrientes de alimentación más altas. Los condensadores para estas aplicaciones necesitaban valores de ESR más bajos, que en ese momento con Al-e-caps solo se podían realizar con tamaños de carcasa más grandes o reemplazándolos con Ta-caps sólidos mucho más costosos.

La razón por la que la ESR influye en la funcionalidad de un circuito integrado es simple. Si el circuito, por ejemplo, un microprocesador , tiene una demanda de energía repentina, el voltaje de suministro cae por ESL, ESR y pérdida de carga de capacitancia. Porque en caso de una demanda repentina de corriente, el voltaje de la línea eléctrica cae:

Δ T = ESR × I .

Por ejemplo:

Dada una tensión de alimentación de 3 V, con una tolerancia del 10% (300 mV) y una corriente de alimentación de un máximo de 10 A, una demanda de potencia repentina reduce la tensión en

ESR = U / I = (0,3 V) / (10 A) = 30 mΩ.

Esto significa que la ESR en una fuente de alimentación de CPU debe ser inferior a 30 mΩ; de lo contrario, el circuito no funcionará correctamente. Reglas similares son válidas para capacitancia y ESL. La capacitancia específica podría incrementarse a lo largo de los años mediante láminas de ánodo más grabadas, respectivamente, por granos de polvo de tantalio más pequeños y más finos en un factor de 10 a 15 y podría seguir la tendencia de miniaturización. El desafío de ESL ha llevado a las versiones de láminas apiladas de tapas electrónicas de polímero Al. Sin embargo, para reducir la ESR solo el desarrollo de nuevos materiales conductores sólidos, primero TCNQ, luego los polímeros conductores, lo que llevó al desarrollo de los condensadores de electrolitos de polímero con sus valores de ESR muy bajos, el desafío de la ESR de la digitalización de circuitos electrónicos podría ser aceptado.

Condensadores electrolíticos: conceptos básicos

Oxidación anódica

Principio básico de oxidación anódica (formación), 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, antes denominados "metales de válvula", que por oxidación anódica forman una capa de óxido aislante. Aplicando un voltaje positivo al material del ánodo (+) en un baño electrolítico se puede formar una capa de barrera de óxido con un grosor correspondiente al voltaje aplicado. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un e-cap. Para aumentar la capacitancia de los condensadores, la superficie del ánodo se hace rugosa y, por lo tanto, la superficie de la capa de óxido también se hace rugosa. Para completar un capacitor, un contraelectrodo debe coincidir con la superficie rugosa de óxido aislante. Esto se logra mediante el electrolito, que actúa como el electrodo de cátodo (-) de un condensador electrolítico. La principal diferencia entre los condensadores de polímero es el material del ánodo y su óxido utilizado como dieléctrico:

• Los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio utilizan polvo de tantalio sinterizado de alta pureza como ánodo con pentóxido de tantalio (Ta ₂ O ₅ ) como dieléctrico y
• Los condensadores electrolíticos de polímero de aluminio utilizan una lámina de aluminio de alta pureza y grabada electroquímicamente (rugosa) como ánodo con óxido de aluminio (Al ₂ O ₃ ) como dieléctrico.

Las propiedades de la capa de óxido de aluminio en comparación con la capa dieléctrica de pentóxido de tantalio se dan en la siguiente tabla:

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

En principio, cada e-cap forma un "condensador de placa" cuya capacitancia es una función creciente del área del electrodo A, la permitividad ε del material dieléctrico y el espesor del dieléctrico (d).

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

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

El espesor dieléctrico está en el rango de nanómetros por voltio. Por otro lado, el voltaje de ruptura de estas capas de óxido es bastante alto. Usando ánodos grabados o sinterizados, con su área de superficie mucho mayor en comparación con una superficie lisa del mismo tamaño o volumen, los e-caps pueden lograr una alta capacitancia volumétrica. Los últimos desarrollos en ánodos altamente grabados o sinterizados aumentan el valor de capacitancia, dependiendo de la tensión nominal, en un factor de hasta 200 para Al-e-caps o Ta-e-caps en comparación con los ánodos lisos.

Debido a que el voltaje de formación define el espesor del óxido, la tolerancia de voltaje deseada se puede producir fácilmente. Por lo tanto, el volumen de un capacitor se define por el producto de capacitancia y voltaje, el llamado "producto CV".

Comparando las constantes dieléctricas del tántalo y los óxidos de aluminio, Ta ₂ O ₅ tiene una permitividad aproximadamente 3 veces mayor que el Al ₂ O ₃ . Por lo tanto, los tapones en teoría pueden ser más pequeños que los tapones de Al con la misma capacitancia y voltaje nominal. En el caso de los condensadores electrolíticos de tantalio reales, los espesores de la capa de óxido son mucho más gruesos de lo que realmente requiere la tensión nominal del condensador. Esto se hace por razones de seguridad para evitar cortocircuitos provenientes de la cristalización del campo. Por esta razón las diferencias reales de tamaños que se derivan de las distintas permitividades, son parcialmente ineficaces.

Electrolitos

La propiedad eléctrica más importante de un electrolito en un condensador electrolítico es su conductividad eléctrica . El electrolito forma el contraelectrodo, del e-cap, el cátodo . Las estructuras rugosas de la superficie del ánodo continúan en la estructura de la capa de óxido, el dieléctrico, el cátodo debe adaptarse con precisión a la estructura rugosa. Con un líquido, como en los e-caps convencionales "húmedos", es fácil de conseguir. En los e-caps de polímero en los que un polímero conductor sólido forma el electrolito, esto es mucho más difícil de lograr, porque su conductividad proviene de un proceso químico de polimerización. Sin embargo, los beneficios de un electrolito de polímero sólido, la ESR significativamente más baja del condensador y la dependencia de los parámetros eléctricos a baja temperatura, en muchos casos justifican los pasos de producción adicionales, así como los costos más altos.

Electrolito TCNQ de sal conductora

Fórmula estructural de TCNQ

Los condensadores electrolíticos con la sal de transferencia de carga tetracianoquinodimetano TCNQ como electrolito, anteriormente producidos por Sanyo con el nombre comercial "OS-CON", en el verdadero sentido del término "polímero", no eran "condensadores de polímero". Los condensadores electrolíticos TCNQ se mencionan aquí para señalar el peligro de confusión con los condensadores de polímero "reales", que se venden hoy en día con el mismo nombre comercial OS-CON. Los condensadores OS-CON originales con electrolito TCNQ vendidos por el antiguo fabricante Sanyo han sido descontinuados con la integración de las empresas de condensadores Sanyo por parte de Panasonic 2010. Panasonic mantiene el nombre comercial OS-CON pero cambia el electrolito TCNQ por un electrolito de polímero conductor (PPy). .

Los condensadores electrolíticos con electrolito TCNQ ya no están disponibles.

Electrolito polimérico

Los polímeros se forman por reacción química , polimerización . En esta reacción, los monómeros se unen continuamente a una hebra de polímero en crecimiento. Por lo general, los polímeros son aislantes eléctricos, en el mejor de los casos, semiconductores. Para su uso como electrolito en e-caps, se emplean polímeros conductores eléctricos . La conductividad de un polímero se obtiene mediante dobles enlaces conjugados que permiten el libre movimiento de los portadores de carga en el estado dopado . Como portadores de carga sirven los huecos de electrones . Eso significa que la conductividad de los polímeros conductores, que es casi comparable con los conductores metálicos, solo comienza cuando los polímeros se dopan de manera oxidativa o reductora.

Un electrolito de polímero debe poder penetrar en los poros más finos del ánodo para formar una capa completa y homogénea, porque solo las secciones de óxido del ánodo cubiertas por el electrolito contribuyen a la capacitancia. Para ello, los precursores del polímero deben consistir en materiales base muy pequeños que puedan penetrar incluso en los poros más pequeños. El tamaño de estos precursores es el factor limitante del tamaño de los poros en las láminas de ánodos de aluminio grabadas o del tamaño del polvo de tántalo. La velocidad de polimerización debe controlarse para la fabricación de condensadores. Una polimerización demasiado rápida no conduce a una cobertura total del ánodo, mientras que una polimerización demasiado lenta aumenta los costos de producción. Ni los precursores ni el polímero o sus residuos pueden atacar al óxido de ánodos química o mecánicamente. El electrolito polimérico debe tener una alta estabilidad en un amplio rango de temperaturas durante largos períodos de tiempo. La película de polímero no solo es el contraelectrodo del e-cap, también protege el dieléctrico incluso contra influencias externas como el contacto directo del grafito en estos condensadores, que están provistos de un contacto de cátodo a través de grafito y plata.

Las tapas electrónicas de polímero emplean polipirrol (PPy) o politiofeno (PEDOT o PEDT)

Polipirrol PPy

Fórmula estructural de polipirrol , dopado con ácido p-toluenosulfónico

El pirrol se puede polimerizar electroquímicamente para controlar la velocidad de polimerización.

El polipirrol (PPy) es un polímero conductor formado por polimerización oxidativa del pirrol . Un agente oxidante adecuado es el cloruro de hierro (III) (FeCl3). Se pueden utilizar agua, metanol, etanol, acetonitrilo y otros disolventes polares para la síntesis de PPy. Como electrolito polimérico conductor sólido alcanza conductividades de hasta 100  S / m. El polipirrol fue el primer polímero conductor utilizado en las tapas de polímero Al-e, así como en las tapas de polímero Ta-e.

El problema con la polimerización de PPy fue la velocidad de polimerización. Cuando el pirrol se mezcla con los agentes oxidantes deseados a temperatura ambiente, la reacción de polimerización comienza inmediatamente. Por lo tanto, el polipirrol comienza a formarse, antes de que la solución química pueda entrar en los poros del ánodo. La velocidad de polimerización puede controlarse mediante enfriamiento criogénico o mediante polimerización electroquímica.

El método de enfriamiento requiere un gran esfuerzo técnico y es desfavorable para la producción en masa. En la polimerización electroquímica, primero debe aplicarse una capa de electrodo auxiliar sobre el dieléctrico y conectarse al ánodo. Para ello, se añaden dopantes iónicos a las sustancias básicas del polímero, formando una capa superficial conductora sobre el dieléctrico durante la primera impregnación. Durante los ciclos de impregnación subsiguientes, la polimerización in situ se puede controlar en el tiempo mediante el flujo de corriente después de aplicar un voltaje entre el ánodo y el cátodo. Con este método se puede realizar una película de polipirrol fina y estable sobre la capa de óxido dieléctrico del ánodo. Sin embargo, ambos métodos de polimerización in situ son complejos y requieren múltiples etapas de polimerización repetidas que aumentan los costes de fabricación.

El electrolito de polipirrol tiene dos desventajas fundamentales. Es tóxico en la producción de condensadores y se vuelve inestable a las temperaturas de soldadura más altas requeridas para soldar con soldaduras sin plomo.

Politiopeno PEDOT y PEDOT: PSS

Fórmula estructural de PEDOT

Fórmula estructural de PEDOT: PSS

El poli (3,4-etilendioxitiofeno) , abreviado PEDOT o PEDT es un polímero conductor basado en 3,4-etilendioxitiofeno o monómero EDOT. PEDOT se polariza por oxidación de EDOT con cantidades catalíticas de sulfato de hierro (III) . La reoxidación del hierro está dada por el persulfato de sodio . Las ventajas de PEDOT son la transparencia óptica en su estado conductor , no tóxico, estable hasta temperaturas de 280 ° C y una conductividad hasta 500  S / m. Su resistencia al calor permite fabricar condensadores de polímero que soportan las temperaturas más altas requeridas para la soldadura sin plomo. Además, estos condensadores tienen mejores valores de ESR que los e-caps de polímero con electrolito PPy.

Los difíciles métodos de polimerización in situ de PEDOT en los ánodos de los condensadores fueron inicialmente los mismos que con el polipirrol. Esto cambió con el desarrollo de dispersiones prepolimerizadas de PEDOT en las que los ánodos de los condensadores simples se podían sumergir y luego secar a temperatura ambiente. Para este propósito, los productos químicos PEDOT se añade con sodio sulfonato de poliestireno (PSS) y se disolvieron en agua. La capa de polímero completa sobre el dieléctrico se compone entonces de partículas prepolimerizadas de la dispersión. Estas dispersiones se conocen como PEDOT: PSS, nombres comerciales Baytron P® y Clevios ™, que protegen las valiosas propiedades de PEDOT.

PEDOT: Las dispersiones de PSS están disponibles en diferentes variantes. Para condensadores con altos valores de capacitancia con láminas de ánodo de aluminio muy rugosas o polvos de tantalio de grano fino, se ofrecen dispersiones con tamaños de partículas muy pequeños. El tamaño medio de estas partículas prepolimerizadas es de aproximadamente 30 nm, lo suficientemente pequeño como para penetrar en los capilares del ánodo más finos. Otra variante de una dispersión PEDOT: PSS se ha desarrollado con partículas prepolimerizadas más grandes que conducen a una capa de polímero relativamente gruesa para hacer una protección envolvente de la celda capacitiva de los condensadores de polímero rectangulares de Ta y Al contra esfuerzos mecánicos y eléctricos.

Con PEDOT: los condensadores electrolíticos de polímero de aluminio producidos en dispersiones PSS son muy adecuados para alcanzar valores de voltaje nominal más altos de 200 V y 250 V. Además, los valores de corriente de fuga de los condensadores electrolíticos de polímero, que se producen con estas dispersiones, son significativamente más bajos que para condensadores de polímero que tienen capas de polímero polimerizado in situ. Sin embargo, por debajo de los mejores valores de ESR, mayor estabilidad de temperatura y valores de corriente de fuga más bajos, la facilidad de fabricación de condensadores de polímero con las dispersiones PEDOT: PSS prepolimerizadas, que ya solo tres baños de inmersión tienen una cobertura casi completa del dieléctrico con una capa de polímero conductor. Este enfoque ha reducido significativamente los costos de producción.

Electrolito híbrido

Los condensadores electrolíticos de aluminio de polímero híbrido combinan un recubrimiento de la estructura del ánodo de aluminio oxidado y rugoso con un polímero conductor junto con un electrolito líquido. El electrolito líquido se empapa en el separador (espaciador) y consigue con su conductividad iónica el contacto eléctrico entre las dos capas de polímero que recubren el dieléctrico y sobre la lámina del cátodo. El electrolito líquido puede suministrar el oxígeno para los procesos de autocuración del condensador, lo que reduce la corriente de fuga, de modo que se pueden alcanzar valores como en el condensador electrolítico "húmedo" convencional. Además, se puede reducir el margen de seguridad para el espesor de óxido requerido para un voltaje nominal deseado.

Los efectos perjudiciales del electrolito líquido sobre la ESR y las características de temperatura son relativamente bajos. Utilizando electrolitos orgánicos apropiados y un buen sellado de los condensadores, se puede lograr una larga vida útil.

Tipos y estilos

Según el metal del ánodo utilizado y la combinación de un electrolito polimérico junto con un electrolito líquido, existen tres tipos diferentes:

• Condensador electrolítico de polímero de tantalio
• Condensador electrolítico de polímero de aluminio
• Condensador electrolítico de polímero de aluminio híbrido

Estos tres tipos o familias diferentes, se producen en dos estilos diferentes,

• Chip SMD rectangular, generalmente moldeado con una caja de plástico, disponible con ánodo de tantalio sinterizado o con láminas de ánodo de aluminio apiladas y
• Estilo cilíndrico con una celda enrollada en una caja de metal, disponible como estilo SMD cilíndrico (chips en V) o como versiones con terminales radiales (un solo extremo)

• Estilos de condensadores electrolíticos de polímero
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  Los chips SMD rectangulares están disponibles con ánodo de tantalio sinterizado o con láminas de ánodo de aluminio apiladas

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  Los estilos cilíndricos con una celda enrollada en una caja de metal están disponibles como SMD (chips en V) o como versiones con terminales radiales (un solo extremo) para condensadores de polímero o polímero híbrido de aluminio

Estilo de chip rectangular

A principios de la década de 1990, las Ta-caps de polímero coincidieron con la aparición de dispositivos planos como teléfonos móviles y computadoras portátiles que utilizan tecnología de ensamblaje SMD. La superficie de base rectangular logra el espacio de montaje máximo, lo que no es posible con superficies de base redondas. La celda sinterizada se puede fabricar de modo que el componente terminado tenga una altura deseada, típicamente la altura de otros componentes. Las alturas típicas oscilan entre aproximadamente 0,8 y 4 mm.

Condensadores de chip de polímero de tantalio

Los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio son esencialmente condensadores de tantalio en los que el electrolito es un polímero conductor en lugar de dióxido de manganeso, véase también condensador de tantalio # Materiales, producción y estilos Los condensadores de tantalio se fabrican a partir de un polvo de metal de tantalio elemental relativamente puro .

El polvo se comprime alrededor de un cable de tantalio, la conexión del ánodo, para formar una "pastilla". Esta combinación de gránulos / alambre se sinteriza posteriormente al vacío a alta temperatura (normalmente de 1200 a 1800 ° C), lo que produce un gránulo de ánodo mecánicamente fuerte. Durante la sinterización, el polvo adquiere una estructura similar a una esponja, con todas las partículas interconectadas en una red espacial monolítica. Esta estructura tiene una densidad y resistencia mecánica predecibles, pero también es muy porosa, lo que produce una gran superficie de ánodo.

La capa dieléctrica se forma luego sobre todas las superficies de las partículas de tántalo del ánodo mediante el proceso electroquímico de anodización o formación. Para lograr esto, el “pellet” se sumerge en una solución muy débil de ácido y se aplica voltaje DC. El espesor dieléctrico total está determinado por el voltaje final aplicado durante el proceso de formación. Posteriormente, el bloque sinterizado oxidado se impregna con los precursores del polímero, para conseguir el electrolito del polímero, el contraelectrodo. Este gránulo polimerizado ahora se sumerge sucesivamente en grafito conductor y luego en plata para proporcionar una buena conexión con el polímero conductor. Esta capa logra la conexión del cátodo del condensador. Entonces, la celda capacitiva generalmente se moldea con una resina sintética.

• Construcción básica de un condensador de polímero de tantalio.
• 

  Estructura de capas de un condensador de polímero de tantalio con conexión de cátodo de grafito / plata

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  Sección transversal básica de un condensador de chip de tantalio de polímero rectangular

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  Condensador de chip de tantalio de polímero rectangular

Los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio tienen valores de ESR que son aproximadamente solo 1/10 del valor de los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso del mismo tamaño. Mediante una técnica de múltiples ánodos en la que varios bloques de ánodo están conectados en paralelo en un caso, el valor de ESR se puede reducir nuevamente. La ventaja de la tecnología de múltiples ánodos, además de los valores de ESR muy bajos, es la ESL de inductancia más baja, por lo que los condensadores son adecuados para frecuencias más altas.

La desventaja de todos los condensadores de polímero de tantalio es la mayor corriente de fuga, que es aproximadamente un factor de 10 más alta en comparación con los condensadores con electrolito de dióxido de manganeso. Los condensadores electrolíticos de polímero SMD de tantalio están disponibles hasta un tamaño de 7,3x4,3x4,3 mm (largo x ancho x alto) con una capacidad de 1000 µF a 2,5 V. Cubren rangos de temperatura de -55 ° C a +125 ° C y están disponibles en valores de tensión nominal de 2,5 a 63 V.

Nuevos diseños: reducción de ESR y ESL

La construcción de múltiples ánodos tiene varios ánodos de tantalio sinterizado que están conectados en paralelo, por lo que tanto la ESR como la ESL se reducirán.

Reducir la ESR y ESL sigue siendo un objetivo importante de investigación y desarrollo para todos los condensadores de polímero. Algunas medidas constructivas también pueden tener un impacto importante en los parámetros eléctricos de los condensadores. Se pueden lograr valores de ESR más pequeños, por ejemplo, mediante la conexión en paralelo de varias celdas de condensador convencionales en un caso. Tres condensadores en paralelo con una ESR de 60 mΩ cada uno tienen una ESR resultante de 20 mΩ. Esta tecnología se denomina construcción de “múltiples ánodos” y se utiliza en condensadores de polímero de tantalio con muy baja ESR. En esta construcción se conectan hasta seis ánodos individuales en un caso. Este diseño se ofrece como condensadores de chip de tantalio de polímero, así como condensadores de chip de tantalio más económicos con electrolito de MnO ₂ . Los condensadores de tantalio de polímero de múltiples ánodos tienen valores de ESR en el rango de miliohmios de un solo dígito.

Otra medida constructiva simple cambia la inductancia parásita del capacitor, el ESL. Dado que la longitud de los conductores dentro de la caja del condensador tiene una gran cantidad del ESL total, la inductancia del condensador se puede reducir reduciendo la longitud de los conductores internos mediante la sinterización asimétrica del conductor del ánodo. Esta técnica se llama construcción "boca abajo". Debido al ESL más bajo de esta construcción boca abajo, la resonancia del condensador se desplaza a frecuencias más altas, lo que tiene en cuenta los cambios de carga más rápidos de los circuitos digitales con frecuencias de conmutación cada vez más altas.

En la construcción "boca abajo" de los condensadores de chip de tantalio, la trayectoria de la corriente interna se reduce constructivamente, lo que reduce la impedancia parásita (ESL) con el resultado de que la resonancia se desplaza a frecuencias más altas. Dicho simplemente, el condensador se vuelve "más rápido"

Condensadores de chip de polímero de tantalio con estas nuevas mejoras de diseño, que tanto la ESR como la ESL disminuyeron las propiedades de alcance, acercándose cada vez más a las de los condensadores MLCC.

Condensadores de chip de polímero de aluminio

Las tapas rectangulares de polímero de Al tienen una o más láminas de ánodos de aluminio en capas y un electrolito de polímero conductor. Las láminas del ánodo estratificado están en un lado en contacto entre sí, este bloque se oxida anódicamente para lograr el dieléctrico y el bloque se impregna con los precursores del polímero para lograr el electrolito del polímero, el contraelectrodo. Al igual que para los condensadores de polímero de tantalio, este bloque polimerizado ahora se sumerge sucesivamente en grafito conductor y luego en plata para proporcionar una buena conexión con el polímero conductor. Esta capa logra la conexión del cátodo del condensador. Entonces, la celda capacitiva generalmente se moldea con una resina sintética.

• Construcción básica de un condensador de polímero de aluminio con bandas de ánodo en capas
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  Estructura de capas de un condensador de polímero de aluminio con conexión de cátodo de grafito / plata

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  Sección transversal básica de un condensador de chip de aluminio polímero rectangular

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  Condensador de chip de aluminio polímero rectangular. El aspecto externo no indica el material de ánodo interno utilizado.

Las láminas de ánodo en capas en las tapas de chip-e de polímero de forma rectangular Al-chip-e-caps son condensadores individuales conectados eléctricamente en paralelo. Por lo tanto, los valores de ESR y ESL están conectados en paralelo reduciendo ESR y ESL correspondientemente y permitiéndoles operar a frecuencias más altas.

Estas tapas rectangulares de polímero Al-chip-e-caps están disponibles en la caja "D" con unas dimensiones de 7,3x4,3 mm y alturas de entre 2 y 4 mm. Proporcionan una alternativa competitiva a Ta-caps.

La comparación de las tapas electrónicas de polímero de Al-chip-e-caps mecánicamente comparables y las tapas de polímero Ta-chip-e muestra que las diferentes permitividades de óxido de aluminio y pentóxido de tantalio tienen poco impacto en la capacidad específica debido a los diferentes márgenes de seguridad en las capas de óxido. Las tapas de polímero Ta-e utilizan un espesor de capa de óxido que corresponde aproximadamente a cuatro veces el voltaje nominal, mientras que las tapas de polímero Al-e tienen aproximadamente el doble de la tensión nominal.

Estilo cilíndrico (radial)

Condensadores cilíndricos de polímero de aluminio basados ​​en la técnica de condensadores electrolíticos de aluminio enrollados con electrolitos líquidos. Están disponibles solo con aluminio como material de ánodo.

Están diseñados para valores de capacitancia mayores en comparación con los condensadores de polímero rectangulares. Debido a su diseño, pueden variar en altura en un área de montaje de superficie determinada, de modo que se pueden lograr valores de capacitancia más grandes con una carcasa más alta sin aumentar la superficie de montaje. Esto es principalmente útil para placas de circuito impreso sin límite de altura.

Condensadores cilíndricos de polímero de aluminio

Las tapas cilíndricas de polímero Al-e están hechas de dos láminas de aluminio, un ánodo grabado y formado y una lámina de cátodo que están separados mecánicamente por un separador y enrollados juntos. El devanado se impregna con los precursores de polímero para conseguir que el polímero conductor polimerizado forme cátodo y el electrodo de polímero, conectado eléctricamente a la lámina del cátodo. Luego, el devanado se integra en una caja de aluminio y se sella con un sello de goma. Para la versión SMD (chip vertical = chip en V), la carcasa se suministra con una placa inferior.

• Principios de diseño de condensadores de polímero de aluminio cilíndricos
• 

  Bobinado de un condensador electrolítico de aluminio

• 

  Vista en sección transversal de la celda capacitiva de un condensador de polímero de aluminio enrollado con electrolito de polímero

• 

  Condensadores cilíndricos de polímero de aluminio con celda enrollada en caja de metal cilíndrica, en estilo radial (de un solo extremo) y SMD (chip en V)

Las tapas cilíndricas de polímero Al-e-caps son menos costosas que los correspondientes condensadores de polímero de tantalio para un valor CV dado (capacitancia × voltaje nominal). Están disponibles hasta un tamaño de 10 × 13 mm (diámetro × altura) con un valor de CV de 3900 µF × 2,5 V Pueden cubrir rangos de temperatura de -55 ° C a +125 ° C y están disponibles en valores de voltaje nominal de 2,5 a 200 V respectivamente 250 V.

A diferencia de los Al-e-caps "húmedos", las carcasas de los condensadores de polímero de Al no tienen ventilación (muesca) en la parte inferior de la carcasa, ya que un cortocircuito no forma gas, lo que aumentaría la presión en la carcasa. Por lo tanto, no se requiere un punto de ruptura predeterminado.

Condensadores híbridos de polímero de aluminio

Vista en sección transversal de la celda capacitiva de un condensador híbrido de polímero de aluminio, electrolito de polímero en los poros de las hojas de aluminio y electrolito líquido como conexión eléctrica entre las capas de polímero.

Los condensadores de polímero híbrido están disponibles solo en la construcción de estilo cilíndrico, por lo que corresponde a las tapas de polímero Al-e de polímero cilíndrico antes descritas con plomo en el diseño radial (de un solo extremo) o con una placa base en la versión SMD (chip V). La diferencia es que el polímero solo cubre la superficie de la estructura rugosa del dieléctrico Al ₂ O ₃ y la superficie de la lámina del cátodo como capas delgadas. Con esto, especialmente las partes de alta resistencia en los pequeños poros de la lámina del ánodo pueden hacerse de baja resistencia para reducir la ESR de los condensadores. Como conexión eléctrica entre ambas capas de polímero sirve un electrolito líquido como en los casquillos de Al-e húmedos convencionales que impregnan el separador. La pequeña distancia a la que conduce el electrolito no sólido aumenta un poco la VSG, pero de hecho no de manera espectacular. La ventaja de esta construcción es que el electrolito líquido en funcionamiento suministra el oxígeno necesario para la autocuración de la capa dieléctrica en presencia de pequeños defectos.

La corriente que fluye a través de un pequeño defecto produce un calentamiento selectivo, que normalmente destruye la película de polímero superpuesta, aislando, pero no curando, el defecto. En los condensadores de polímero híbrido, el líquido puede fluir hacia el defecto, entregando oxígeno y curando el dieléctrico generando nuevos óxidos, disminuyendo la corriente de fuga. Las cápsulas Al-e de polímero híbrido tienen una corriente de fuga mucho menor que las cápsulas Al-e de polímero estándar.

Comparación de las familias de polímeros

Comparación de puntos de referencia

El electrolito de polímero, los dos materiales de ánodo diferentes, el aluminio y el tantalio, junto con los diferentes diseños, dieron lugar a múltiples familias de tapas de polímero con diferentes especificaciones. A modo de comparación, también se enumeran los parámetros básicos de los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso.

(A abril de 2015)

Comparación de parámetros eléctricos

Las propiedades eléctricas de los condensadores de polímero se pueden comparar mejor, utilizando capacitancia, voltaje nominal y dimensiones consistentes. Los valores de la ESR y la corriente de ondulación son los parámetros más importantes para el uso de condensadores de polímero en equipos electrónicos. La corriente de fuga es significativa, porque es más alta que la de los e-caps con electrolitos no poliméricos. Se incluyen los valores respectivos de Ta-e-caps con electrolito MnO ₂ y Al-e-caps húmedos.

¹ Fabricante, serie, capacitancia / voltaje nominal.

² W × L × H para estilo rectangular (chip), D × L para estilo cilíndrico.

³ Calculado para un condensador de 100 µF, 10 V.

(A junio de 2015)

Ventajas y desventajas

Ventajas de los e-caps de polímero frente a los Al-e-caps húmedos:

• valores de ESR más bajos.
• mayor capacidad de corriente de ondulación
• características dependientes de la temperatura más baja
• sin evaporación del electrolito, mayor vida útil
• sin quemaduras o explosiones en caso de pantalones cortos

Desventajas de los e-caps de polímero frente a los Al-e-caps húmedos:

• más caro
• mayor corriente de fuga
• Dañable por transitorios y picos de voltaje más altos

Ventajas de los polímeros híbridos Al-e-caps :

• menos caras que las tapas electrónicas de polímero de aluminio
• menor corriente de fuga
• impasible ante los transitorios

Desventaja de los polímeros híbridos Al-e-caps :

• vida útil limitada debido a la evaporación

Ventajas de los tapones de polímero Ta y Al-e frente a los MLCC (cerámica):

• sin capacitancia dependiente de voltaje (excepto cerámica tipo 1)
• no microfónico (excepto cerámica tipo 1)
• valores de capacitancia más altos posibles

Características electricas

Circuito equivalente en serie

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 los condensadores electrolíticos:

• 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 del condensador

Capacitancia nominal, valores estándar y tolerancias

Condensador de capacitancia típico en función de la temperatura para un polímero Al-e-cap y dos Al-e-caps no sólidos

El valor de capacitancia de los condensadores electrolíticos de polímero depende de la frecuencia y la temperatura de medición. Los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos muestran una aberración más amplia en los rangos de frecuencia y temperatura que los condensadores de polímero.

La condición de medición estandarizada para polímero Al-e-caps es un método de medición de CA con 0,5 V a una frecuencia de 100/120 Hz y una temperatura de 20 ° C. Para Ta-e-caps de polímero, se puede aplicar una tensión de polarización de CC de 1,1 a 1,5 V para tipos con una tensión nominal ≤2,5 V, o de 2,1 a 2,5 V para tipos con una tensión nominal de> 2,5 V, durante la medición para evitar tensión inversa.

El valor de capacitancia medido a la frecuencia de 1 kHz es aproximadamente un 10% menor que el valor de 100/120 Hz. Por lo tanto, los valores de capacitancia de los e-caps de polímero no son directamente comparables y difieren de los de los capacitores de película o de cerámica , cuya capacitancia se mide a 1 kHz o más.

La unidad básica de la capacitancia de un condensador electrolítico de polímero es el microfaradio (μF). El valor de la capacitancia se especifica en las hojas de datos de los fabricantes se llama la capacitancia nominal C _R o capacitancia nominal C _N . Se da según la norma IEC 60063 en los valores correspondientes a la serie E . Estos valores se especifican con una tolerancia de capacitancia de acuerdo con IEC 60062 para evitar superposiciones.

El valor de capacitancia medido real debe estar dentro de los límites de tolerancia.

Voltaje nominal y de categoría

Relación entre la tensión nominal U _R y la tensión de categoría U _C y la temperatura nominal T _R y la temperatura de categoría T _C

Con referencia a IEC 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida para los e-caps de polímero se denomina "tensión nominal U _R ". La tensión nominal U _R es el voltaje de tensión o de pico máxima de impulsos DC que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del intervalo de temperatura nominal T _R .

La prueba de voltaje de los condensadores electrolíticos disminuye al aumentar la temperatura. Para algunas aplicaciones, es importante utilizar un rango de temperatura más alto. Reducir el voltaje aplicado a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica un "voltaje con reducción de temperatura" para una temperatura más alta, el "voltaje de categoría U _C ". La tensión de categoría es el voltaje máximo de tensión o de pico de pulso de corriente continua que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura categoría T _C . La relación entre los voltajes y las temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.

La aplicación de un voltaje más alto que el especificado puede destruir los condensadores electrolíticos.

La aplicación de un voltaje más bajo puede tener una influencia positiva en los condensadores electrolíticos de polímero. En el caso de las cápsulas Al-e de polímero híbrido, un voltaje aplicado más bajo en algunos casos puede prolongar la vida útil. Para Ta-e-caps de polímero, la reducción del voltaje aplicado aumenta la confiabilidad y reduce la tasa de falla esperada.

Temperatura nominal y de categoría

La relación entre la temperatura nominal T _R y la tensión nominal U _R , así como la temperatura de categoría superior T _C y la tensión de categoría reducida U _{C se} muestra en la imagen de la derecha.

Sobretensión

Las capas de óxido de polímero e-cap se forman por razones de seguridad a un voltaje más alto que el voltaje nominal, llamado sobretensión. Por lo tanto, se permite aplicar una sobretensión durante períodos cortos y un número limitado de ciclos.

La sobretensión indica el valor máximo de tensión pico que se puede aplicar durante su aplicación durante un número limitado de ciclos. La sobretensión está estandarizada en IEC 60384-1.

Para las tapas de polímero de Al-e, la sobretensión es 1,15 veces la tensión nominal. Para Ta-e-caps de polímero, la sobretensión puede ser 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más cercano.

La sobretensión aplicada a los capacitores de polímero puede influir en la tasa de falla del capacitor.

Voltaje transitorio

Los transitorios son picos rápidos y de alto voltaje . Los condensadores electrolíticos de polímero, el aluminio y los condensadores de polímero de tantalio no pueden soportar transitorios o voltajes máximos superiores a los picos de tensión. Los transitorios de este tipo de e-caps pueden destruir los componentes.

Las cápsulas Al-e de polímero híbrido son relativamente insensibles a voltajes transitorios altos y de corto plazo superiores a los picos de voltaje, si la frecuencia y el contenido de energía 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 . No es posible una especificación general e inequívoca de transitorios tolerables o voltajes pico. En todos los casos que surjan transitorios, la solicitud debe evaluarse individualmente.

Tensión inversa

Los condensadores electrolíticos de polímero, tantalio y los condensadores de polímero de aluminio son condensadores polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo. Sin embargo, pueden soportar durante breves instantes una tensión inversa dependiente del tipo durante un número limitado de ciclos. Un voltaje inverso superior al nivel de umbral dependiente del tipo aplicado durante mucho tiempo al condensador de electrolito de polímero provoca un cortocircuito y la destrucción del condensador.

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 sobre "Marcado de polaridad" a continuación.

Impedancia y ESR

Ver también: Condensador electrolítico # Impedancia y condensador electrolítico # ESR y factor de disipación tan δ

La impedancia es la relación compleja entre el voltaje y la corriente en un circuito de CA , y se expresa como resistencia de CA tanto en magnitud como en fase a una frecuencia particular. En las hojas de datos de los condensadores de electrolitos de polímero solo la magnitud de impedancia | Z | se especifica y simplemente se escribe como "Z" . Con respecto a la norma IEC 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos de polímero se miden y especifican a 100 kHz.

En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas X _C y X _L tienen el mismo valor ( X _C = X _L ), la impedancia se determinará solo por la resistencia en serie equivalente ESR , que resume todas las pérdidas resistivas del condensador. . A 100 kHz, la impedancia y la ESR tienen casi el mismo valor para tapas electrónicas de polímero con valores de capacitancia en el rango de µF. Con frecuencias por encima de la resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido al ESL del capacitor, convirtiendo el capacitor en un inductor.

Características de impedancia típicas sobre la frecuencia para e-caps de 100 µF con diferentes electrolitos en comparación con un condensador cerámico MLCC clase 2 de 100 µF .

Curva típica de la en función de la temperatura para condensadores de polímero ( ${\ Displaystyle ESR}$${\ Displaystyle T}$    ) y Al-e-caps "húmedos" (    )

La impedancia y la ESR, como se muestra en las curvas, como se muestra en las curvas, dependen en gran medida del electrolito utilizado. Las curvas muestran la impedancia progresivamente más baja y los valores de ESR de los tapones electrónicos de Al-e-caps y los tapones de MnO ₂ Ta-e, de Al / TCNQ y de polímero de tantalio "húmedos" . También se muestra la curva de un condensador cerámico MLCC Clase 2, con valores Z y ESR aún más bajos, pero cuya capacitancia depende del voltaje.

Una ventaja de los e-caps de polímero sobre los de Al-e-caps no sólidos es la dependencia de baja temperatura y la curva casi lineal de la ESR en el rango de temperatura especificado. Esto se aplica tanto al polímero de tántalo como al polímero de aluminio, así como a los e-caps híbridos de polímero de aluminio.

La impedancia y la ESR también dependen del diseño y los materiales de los condensadores. Las tapas de Al-e cilíndricas con la misma capacitancia que las tapas de Al-e rectangulares tienen una inductancia más alta que las tapas de Al-e rectangulares con electrodos en capas y, por lo tanto, tienen una frecuencia de resonancia más baja. Este efecto se amplifica por la construcción de múltiples ánodos, en la que las inductancias individuales se reducen mediante su conexión en paralelo y la técnica "boca abajo".

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 cuadrático medio (RMS) de una corriente CA superpuesta de cualquier frecuencia y cualquier forma de onda de la curva de corriente para operación continua dentro del rango de temperatura especificado. Surge principalmente en las fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación de modo conmutado ) después de rectificar un voltaje de CA y fluye como corriente de carga y descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado.

Las corrientes onduladas generan calor dentro del cuerpo del condensador. Esta pérdida de potencia de disipación P _L es causada por ESR y es el valor al cuadrado de la eficaz (RMS) rizado de corriente I _R .

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

Este calor generado internamente, adicional a la temperatura ambiente y otras fuentes de calor externas, conduce a una temperatura corporal del condensador más alta con una diferencia de temperatura de Δ T frente a la ambiente. Este calor tiene que ser distribuido como pérdidas térmicas P _º sobre la superficie del condensador A y la resistencia térmica β a la ambiente.

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

Este calor se distribuye al ambiente por radiación térmica , convección y conducción térmica . La temperatura del capacitor, que es el balance neto entre el calor producido y distribuido, no debe exceder la temperatura máxima especificada del capacitor.

La corriente de ondulación para los e-caps de polímero se especifica como un valor efectivo máximo (RMS) a 100 kHz a la temperatura nominal superior. Las corrientes de ondulación no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias individuales individuales mediante el análisis de Fourier y resumirse mediante la suma al cuadrado para calcular un valor eficaz.

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

Normalmente, el valor de la corriente de ondulación se calcula para un aumento de la temperatura central de 2 a 6 ° C con respecto a la temperatura ambiente, según el tipo y el fabricante. La corriente de ondulación se puede aumentar a temperaturas más bajas. Debido a que la ESR depende de la frecuencia y aumenta en el rango de baja frecuencia, la corriente de ondulación debe reducirse a frecuencias más bajas.

En Ta-e-caps de polímero, el calor generado por la corriente de ondulación influye en la fiabilidad de los condensadores. Exceder el límite puede resultar en fallas catastróficas con cortocircuitos y componentes en llamas.

El calor generado por la corriente ondulada también influye en la vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolitos de polímero sólido.

El calor de la corriente de ondulación afecta la vida útil de los tres tipos de tapas electrónicas de polímero.

Aumento de corriente, pico o corriente de pulso

Los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio son sensibles a las corrientes de pico o de pulso. Los tapones de polímero Ta-e que están expuestos a corrientes de impulso, pico o pulso, por ejemplo, en circuitos altamente inductivos, requieren una reducción de voltaje. Si es posible, el perfil de voltaje debe ser una rampa de encendido, ya que esto reduce la corriente máxima experimentada por el capacitor.

Las cápsulas de polímero híbridas de Al-e no tienen restricciones en las corrientes de pico, pico o pulso de corriente. Sin embargo, las corrientes resumidas no deben exceder la corriente de ondulación especificada.

Corriente de fuga

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

   no sólido, alto contenido de agua

   no sólido, orgánico

   sólido, polímero

La corriente de fuga de CC (DCL) es una característica única de los condensadores electrolíticos que otros condensadores convencionales no tienen. Es la corriente continua que fluye cuando se aplica una tensión continua de polaridad correcta. Esta corriente está representada por la _{fuga de} la resistencia R en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de e-caps. Las principales causas de DCL para condensadores de polímero sólido son: puntos de ruptura dieléctrica eléctrica después de la soldadura, caminos conductores no deseados debido a impurezas o debido a una mala anodización, y para los tipos rectangulares que omiten el dieléctrico debido al exceso de MnO ₂ , debido a caminos de humedad o cátodos. conductores (carbono, plata).

La especificación de la corriente de fuga de la hoja de datos se obtiene multiplicando el valor de capacitancia nominal C _R con el valor de la tensión nominal U _R junto con una cifra adicional, medida después de 2 o 5 minutos, por ejemplo, una fórmula para Al-e-caps no sólidos :

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

La corriente de fuga en los e-caps de polímero sólido generalmente cae muy rápido pero luego permanece en el nivel alcanzado. El valor depende del voltaje aplicado, la temperatura, el tiempo de medición y la influencia de la humedad causada por las condiciones de sellado de la carcasa.

Los e-caps de polímero tienen valores de corriente de fuga relativamente altos. Esta corriente de fuga no se puede reducir "curando" en el sentido de generar nuevo óxido, porque en condiciones normales los electrolitos de polímero no pueden suministrar oxígeno para los procesos de formación. El recocido de los defectos en la capa dieléctrica solo se puede realizar mediante sobrecalentamiento local y evaporación del polímero. Los valores de corriente de fuga para los condensadores de electrolitos de polímero están entre 0,2 C _R U _R y 0,04 C _R U _R , según el fabricante y la serie. Por tanto, el valor de la corriente de fuga para los condensadores de polímero es más alto que para los casquillos de Al-e-e-casquillos "húmedos" y Ta-e-casquillos de MnO ₂ .

Esta mayor fuga de la desventaja actual de las cápsulas Al-e de polímero sólido se evita mediante las cápsulas Al-e híbridas. Su electrolito líquido proporciona el oxígeno necesario para el reformado de los defectos de óxido, de modo que los híbridos alcancen los mismos valores que los Al-e-caps húmedos.

Absorción dieléctrica (remojo)

La absorción dieléctrica ocurre cuando un capacitor que ha permanecido cargado durante mucho tiempo se descarga solo de manera 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".

Para los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio y de aluminio, no se dispone de cifras para la absorción dieléctrica.

Fiabilidad y vida útil

Fiabilidad (tasa de fallos)

Curva de bañera con tiempos de "fallas tempranas", "fallas aleatorias" y "fallas por desgaste". El tiempo de fallas aleatorias es el tiempo de tasa constante de fallas.

La confiabilidad de un componente es una propiedad que indica qué tan confiablemente este componente realiza su función en un intervalo de tiempo. Está sujeto a un proceso estocástico y puede describirse cualitativa y cuantitativamente, pero no se puede medir directamente. La confiabilidad de los capacitores electrolíticos se determina empíricamente identificando la tasa de fallas en la producción que acompaña a las pruebas de resistencia . La confiabilidad normalmente se muestra como una curva de bañera y se divide en tres áreas: fallas tempranas o fallas de mortalidad infantil, fallas aleatorias constantes y fallas por desgaste. Las fallas totalizadas en una tasa de fallas son fallas de cortocircuito, circuito abierto y degradación (que exceden los parámetros eléctricos). Para Ta-e-caps de polímero, la tasa de falla también se ve influenciada por la resistencia en serie del circuito, que no es necesaria para las tapas de polímero Al-e.

Se necesitan miles de millones de horas-unidad de prueba para verificar las tasas de falla en el rango de nivel muy bajo que se requieren hoy para garantizar la producción de grandes cantidades de componentes sin fallas. Esto requiere alrededor de un millón de unidades probadas durante un largo período, lo que significa un gran personal y una financiación considerable. Las tasas de falla probadas a menudo se complementan con comentarios de campo de grandes usuarios (tasa de falla de campo), que en su mayoría reduce las estimaciones de tasa de falla.

Por razones históricas, las unidades de tasa de falla de Ta-e-caps y Al-e-caps son diferentes. Por Al-e-caps la fiabilidad predicción se expresa generalmente en una tasa de fracaso λ , con la unidad F ailures I n T ime ( FIT ) en condiciones de funcionamiento estándar 40 ° C y 0,5 U _R durante el período de fallos aleatorios constantes. Este es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 ⁹ ) componentes-horas de operación (por ejemplo, 1000 componentes durante 1 millón de horas, o 1 millón de componentes durante 1000 horas, que es 1 ppm / 1000 horas) en el estándar. condiciones de operación. Este modelo de tasa de fallas asume implícitamente que las fallas son aleatorias. Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios pero a un ritmo predecible. El valor recíproco de FIT es M ean T ime B ntre F ailures (MTBF).

Para Ta-e-caps, la tasa de falla "F _Ta " se especifica con la unidad "n% de fallas por 1000 horas" a 85 ° C, U = U _R y una resistencia del circuito de 0.1 Ω / V. Este es el porcentaje de fallas que se puede esperar en 1000 horas de operación en condiciones operativas mucho más exigentes en comparación con el modelo “FIT”. Las tasas de falla "λ" y "F _Ta " dependen de las condiciones operativas, incluida la temperatura, el voltaje aplicado y varios factores ambientales como la humedad, golpes o vibraciones y del valor de capacitancia del capacitor. Las tasas de falla son una función creciente de la temperatura y el voltaje aplicado.

Los índices de falla de Ta-e-caps sólidos y Al-e-caps "húmedos" se pueden volver a calcular con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales o militares. Este último está establecido en la industria y se utiliza a menudo para aplicaciones industriales. Sin embargo, para Ta-e-caps de polímero y Al-e-caps de polímero no se habían publicado factores de aceleración hasta 2016. Un ejemplo de un recálculo de una tasa de falla de un capacitor de tantalio F _Ta en una tasa de falla λ por lo tanto, solo puede ser dado por comparando condensadores estándar. Ejemplo:

Una tasa de fallo F _Ta = 0,1% / 1.000 h a 85 ° C y U = U _R se vuelve a calcular en una tasa de fracaso λ a 40 ° C y U = 0,5  U _R .

Se utilizan los siguientes factores de aceleración de MIL-HDBK 217F:

F _U = factor de aceleración de voltaje, para U = 0,5  U _R es F _U = 0,1

F _T = factor de aceleración de la temperatura, para T = 40 ° C es F _T = 0.1

F _R = factor de aceleración para la resistencia en serie R _V , al mismo valor es = 1

Sigue

λ = F _Ta x F _U x F _T x F _R

λ = (0,001 / 1000 h) × 0,1 × 0,1 × 1 = 0,00001 / 1000 h = 1 • 10 ⁻⁹ / h = 1 FIT

A partir de 2015, las cifras de tasa de falla publicadas para el polímero de tantalio, así como para los condensadores de polímero de aluminio, se encuentran en el rango de 0.5 a 20 FIT. Estos niveles de confiabilidad dentro de la vida útil calculada son comparables con otros componentes electrónicos y logran un funcionamiento seguro durante décadas en condiciones normales.

Vida útil, vida útil

El tiempo de vida , vida de servicio , la vida de carga o vida útil de los condensadores electrolíticos es una característica especial de condensadores electrolíticos no sólidos, cuyo electrolito líquido puede evaporarse en el tiempo que lleva a fallos de desgaste-out. Los condensadores de tantalio sólido con electrolito de MnO ₂ no tienen mecanismo de desgaste, por lo que la tasa de falla constante es al menos hasta el punto en que todos los condensadores han fallado. No tienen una especificación de por vida como las tapas de Al-e no sólidas.

Sin embargo, los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio y de polímero de aluminio tienen una especificación de vida útil. El electrolito de polímero tiene un pequeño deterioro de la conductividad debido a un mecanismo de degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuye en función del tiempo, de acuerdo con una estructura de tipo metal granular, en la que el envejecimiento se debe al encogimiento de los granos de polímero conductor.

El tiempo de la funcionalidad de los condensadores (vida útil, vida útil de carga, vida útil) se prueba con una prueba de resistencia de aceleración del tiempo de acuerdo con IEC 60384-24 / -25 / -26 con voltaje nominal a la temperatura de categoría superior. Las condiciones de prueba para pasar la prueba son

• sin cortocircuito o circuito abierto
• reducción de la capacitancia en menos del 20%
• aumento de ESR, impedancia o factor de pérdida menor que el factor 2

Los límites especificados para las fallas por degradación de los capacitores de polímero están mucho más cerca que para las tapas de Al-e no sólidas. Eso significa que el comportamiento del tiempo de vida de los e-caps de polímero es mucho más estable que el de los e-caps húmedos.

La especificación de vida útil de los condensadores de polímero se especifica en términos similares a los de las cápsulas de Al-e no sólidas con un tiempo en horas a la tensión y temperatura máximas, por ejemplo: 2000 h / 105 ° C. Este valor se puede utilizar para estimar el tiempo de vida operativo en condiciones individuales mediante una fórmula llamada "regla de los 20 grados":

${\ Displaystyle L_ {x} = L _ {\ text {Spec}} \ cdot 10 ^ {\ frac {T_ {0} -T_ {A}} {20}}}$

• 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 del e-cap o temperatura ambiente cerca del condensador

Esta regla caracteriza el cambio de la velocidad de las reacciones del polímero térmico dentro de los límites de degradación especificados. De acuerdo con esta fórmula, la vida útil teórica esperada de un condensador de polímero de 2000 h / 105 ° C, que funciona a 65 ° C, se puede calcular (mejor estimación) con aproximadamente 200.000 horas o aproximadamente 20 años.

Para las cápsulas de polímero híbrido de Al-e, no se aplica la regla de los 20 grados. La vida útil esperada de estos e-caps híbridos de polímero se puede calcular utilizando la regla de los 10 grados . Para las condiciones anteriores, los e-caps con un electrolito líquido pueden esperar una vida útil de 32.000 horas o aproximadamente 3,7 años.

Modos de falla, mecanismo de autorreparación y reglas de aplicación

Cristalización de campo

Los condensadores de polímero, tanto de tantalio como de aluminio, son confiables al mismo nivel que otros componentes electrónicos con tasas de falla muy bajas. Sin embargo, todos los condensadores electrolíticos de tantalio, incluido el polímero de tantalio, tienen un modo de falla único llamado "cristalización de campo".

La cristalización de campo es la razón principal de la degradación y fallas catastróficas de los capacitores de tantalio sólidos. Más del 90% de las fallas poco frecuentes de Ta-e-caps son causadas por cortocircuitos o un aumento de la corriente de fuga debido a este modo de falla.

La película de óxido extremadamente fina de un condensador electrolítico de tantalio, la capa dieléctrica, debe formarse como una estructura amorfa. El cambio de la estructura amorfa a una estructura cristalizada aumenta la conductividad, según se informa en 1000 veces, y también aumenta el volumen de óxido.

Después de la aplicación de un voltaje en los puntos debilitados del óxido del condensador, se forma una mayor corriente de fuga localizada, que conduce a un calentamiento local del polímero, por lo que el polímero se oxida y se vuelve altamente resistivo o se evapora.

La cristalización de campo seguida de una ruptura dieléctrica se caracteriza por un aumento repentino de la corriente de fuga, en unos pocos milisegundos, desde una magnitud de nanoamperios hasta una magnitud de amperios en circuitos de baja impedancia. El aumento del flujo de corriente puede acelerarse como un "efecto de avalancha" y extenderse rápidamente a través del metal / óxido. Esto puede resultar en varios grados de destrucción que van desde áreas quemadas bastante pequeñas en el óxido hasta rayas quemadas en zigzag que cubren grandes áreas del gránulo o la oxidación completa del metal. Si la fuente de corriente es ilimitada, una cristalización de campo puede provocar un cortocircuito en el condensador . Sin embargo, si la fuente de corriente está limitada en tapas sólidas de MnO ₂ Ta-e, se produce un proceso de autocuración que oxida el MnO ₂ en Mn ₂ O ₃ aislante.

En el polímero Ta-e-caps, la combustión no es un riesgo. Sin embargo, puede producirse cristalización de campo. En este caso, la capa de polímero se calienta y quema selectivamente por la creciente corriente de fuga de modo que se aísla el punto defectuoso. Dado que el material polimérico no proporciona oxígeno, la corriente de fuga no puede acelerarse. Sin embargo, el área defectuosa ya no contribuye a la capacitancia de los condensadores.

Autocuración

Las tapas de polímero Al-e exhiben el mismo mecanismo de autocuración que las tapas de polímero Ta-e. Después de la aplicación de un voltaje en los puntos debilitados del óxido, se forma una ruta de corriente de fuga localizada más alta. Esto conduce a un calentamiento local del polímero; por lo que el polímero se oxida y se vuelve altamente resistivo, o se evapora. Además, los polímeros híbridos Al-e-caps muestran este mecanismo de autocuración. Sin embargo, el electrolito líquido puede fluir al lugar defectuoso y puede suministrar oxígeno para formar nuevo óxido dieléctrico. Esta es la razón de los valores de corriente de fuga relativamente bajos para los condensadores de polímero híbrido.

Reglas de aplicación

Los diferentes tipos de condensadores electrolíticos de polímero muestran diferencias en el comportamiento eléctrico a largo plazo, sus modos de falla inherentes y su mecanismo de autocuración. Para garantizar una operación segura, los fabricantes recomiendan diferentes reglas de aplicación, orientadas al comportamiento del tipo, consulte la siguiente tabla:

Información adicional

Símbolo del condensador

Símbolos de condensadores electrolíticos

Condensador electrolítico	Condensador electrolítico	Condensador electrolítico

Marcado de polaridad

Marcado de polaridad para condensadores electrolíticos de polímero

Los condensadores de polímero rectangulares, tanto de tantalio como de aluminio, tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo ( más )	Los condensadores de polímero cilíndricos tienen una marca de polaridad en el lado del cátodo ( menos )

Marcas impresas

Los condensadores electrolíticos de polímero, con suficiente espacio, tienen marcas impresas codificadas para indicar

• nombre o marca comercial del fabricante;
• designación de tipo del fabricante;
• polaridad
• capacitancia nominal;
• tolerancia a la capacitancia nominal
• voltaje nominal
• categoría climática o temperatura nominal;
• año y mes (o semana) de fabricación;

Para condensadores muy pequeños no es posible marcar.

El código de las marcas varía según el fabricante.

Estandarización

La estandarización de componentes 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 para condensadores para 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 polímero de tantalio y polímero de aluminio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos estandarizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales :

• IEC / EN 60384-24— Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido de polímero conductor
• 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

Competencia tecnológica

Las características ESR y ESL de los condensadores electrolíticos de polímero convergen con las de los condensadores MLCC. Por el contrario, la capacitancia específica de los capacitores de clase 2-MLCC se acerca a la de los capacitores de chip de tantalio. Sin embargo, aparte de esta creciente comparabilidad, existen argumentos a favor o en contra de ciertos tipos de condensadores. Muchos fabricantes de condensadores componen estos argumentos cruciales de sus tecnologías contra la competencia en presentaciones y artículos, f. mi.:

• E-caps de polímero de al contra MLCC: Panasonic
• MLCC contra polímero y tapas electrónicas "húmedas": Murata
• Tapones electrónicos de polímero Al contra tapones electrónicos "húmedos": NCC, NIC
• Tapones electrónicos de Ta-Polymer contra tapones electrónicos sólidos estándar de Ta-MnO ₂ : Kemet

Fabricantes y productos

A julio de 2016

Ver también

• Condensador electrolítico de aluminio
• Capacitor electrolítico
• Condensador de niobio
• Condensador electrolítico SAL
• Condensador de tantalio
• Tipos de condensadores

Referencias

enlaces externos