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Los condensadores son uno de los componentes más utilizados en las placas de circuito. A medida que el número de dispositivos electrónicos (desde teléfonos móviles hasta automóviles) sigue aumentando, también aumenta la demanda de condensadores. La pandemia de Covid 19 ha alterado la cadena de suministro mundial de componentes, desde semiconductores hasta componentes pasivos, y los condensadores han escaseado1.
Las discusiones sobre el tema de los condensadores se pueden convertir fácilmente en un libro o un diccionario. En primer lugar, existen diferentes tipos de condensadores, como condensadores electrolíticos, condensadores de película, condensadores cerámicos, etc. Luego, dentro de un mismo tipo, existen diferentes materiales dieléctricos. También hay diferentes clases. En cuanto a la estructura física, existen tipos de condensadores de dos y tres terminales. También hay un condensador tipo X2Y, que es esencialmente un par de condensadores Y encapsulados en uno. ¿Qué pasa con los supercondensadores? El hecho es que si te sientas y empiezas a leer las guías de selección de condensadores de los principales fabricantes, ¡puedes pasar el día fácilmente!
Dado que este artículo trata sobre lo básico, utilizaré un método diferente, como de costumbre. Como se mencionó anteriormente, las guías de selección de capacitores se pueden encontrar fácilmente en los sitios web de los proveedores 3 y 4, y los ingenieros de campo generalmente pueden responder la mayoría de las preguntas sobre los capacitores. En este artículo no repetiré lo que se puede encontrar en Internet, sino que demostraré cómo elegir y utilizar condensadores a través de ejemplos prácticos. También se cubrirán algunos aspectos menos conocidos de la selección de capacitores, como la degradación de la capacitancia. Después de leer este artículo, debería comprender bien el uso de condensadores.
Hace años, cuando trabajaba en una empresa que fabricaba equipos electrónicos, teníamos una pregunta de entrevista para un ingeniero en electrónica de potencia. En el diagrama esquemático del producto existente, preguntaremos a los candidatos potenciales "¿Cuál es la función del condensador electrolítico del enlace de CC?" y "¿Cuál es la función del condensador cerámico ubicado al lado del chip?" Esperamos que la respuesta correcta sea el condensador de bus de CC. Se utilizan para el almacenamiento de energía y los condensadores cerámicos se utilizan para el filtrado.
La respuesta "correcta" que buscamos en realidad muestra que todos en el equipo de diseño miran los capacitores desde una perspectiva de circuito simple, no desde una perspectiva de teoría de campo. El punto de vista de la teoría de circuitos no es erróneo. A bajas frecuencias (desde unos pocos kHz hasta unos pocos MHz), la teoría de circuitos normalmente puede explicar bien el problema. Esto se debe a que en frecuencias más bajas, la señal está principalmente en modo diferencial. Usando la teoría de circuitos, podemos ver el capacitor que se muestra en la Figura 1, donde la resistencia en serie equivalente (ESR) y la inductancia en serie equivalente (ESL) hacen que la impedancia del capacitor cambie con la frecuencia.
Este modelo explica completamente el rendimiento del circuito cuando el circuito se cambia lentamente. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, las cosas se vuelven cada vez más complicadas. En algún momento, el componente comienza a mostrar no linealidad. Cuando la frecuencia aumenta, el modelo LCR simple tiene sus limitaciones.
Hoy en día, si me hicieran la misma pregunta en una entrevista, me pondría mis gafas de observación de teoría de campos y diría que ambos tipos de condensadores son dispositivos de almacenamiento de energía. La diferencia es que los condensadores electrolíticos pueden almacenar más energía que los condensadores cerámicos. Pero en términos de transmisión de energía, los condensadores cerámicos pueden transmitir energía más rápido. Esto explica por qué los condensadores cerámicos deben colocarse al lado del chip, porque el chip tiene una frecuencia y velocidad de conmutación más altas en comparación con el circuito de alimentación principal.
Desde esta perspectiva, podemos definir simplemente dos estándares de rendimiento para los condensadores. Una es cuánta energía puede almacenar el capacitor y la otra es qué tan rápido se puede transferir esta energía. Ambos dependen del método de fabricación del condensador, el material dieléctrico, la conexión con el condensador, etc.
Cuando el interruptor en el circuito está cerrado (ver Figura 2), indica que la carga necesita energía de la fuente de energía. La velocidad a la que se cierra este interruptor determina la urgencia de la demanda de energía. Dado que la energía viaja a la velocidad de la luz (la mitad de la velocidad de la luz en los materiales FR4), se necesita tiempo para transferir energía. Además, existe un desajuste de impedancia entre la fuente y la línea de transmisión y la carga. Esto significa que la energía nunca se transferirá en un solo viaje, sino en múltiples viajes de ida y vuelta5, por lo que cuando el interruptor se cambia rápidamente, veremos retrasos y timbres en la forma de onda de conmutación.
Figura 2: La energía necesita tiempo para propagarse en el espacio; El desajuste de impedancia provoca múltiples viajes de ida y vuelta de transferencia de energía.
El hecho de que la entrega de energía lleve tiempo y múltiples viajes de ida y vuelta nos dice que debemos acercar la energía lo más posible a la carga y encontrar una manera de entregarla rápidamente. Lo primero generalmente se logra reduciendo la distancia física entre la carga, el interruptor y el capacitor. Esto último se logra reuniendo un grupo de condensadores con la impedancia más pequeña.
La teoría de campos también explica las causas del ruido en modo común. En resumen, el ruido de modo común se genera cuando no se satisface la demanda de energía de la carga durante la conmutación. Por lo tanto, la energía almacenada en el espacio entre la carga y los conductores cercanos se proporcionará para soportar la demanda de paso. El espacio entre la carga y los conductores cercanos es lo que llamamos capacitancia parásita/mutua (ver Figura 2).
Usamos los siguientes ejemplos para demostrar cómo usar capacitores electrolíticos, capacitores cerámicos multicapa (MLCC) y capacitores de película. Tanto la teoría de circuitos como la de campos se utilizan para explicar el rendimiento de condensadores seleccionados.
Los condensadores electrolíticos se utilizan principalmente en el enlace de CC como principal fuente de energía. La elección del condensador electrolítico suele depender de:
Para el rendimiento EMC, las características más importantes de los condensadores son las características de impedancia y frecuencia. Las emisiones conducidas de baja frecuencia siempre dependen del rendimiento del condensador del enlace CC.
La impedancia del enlace de CC depende no solo del ESR y ESL del capacitor, sino también del área del circuito térmico, como se muestra en la Figura 3. Un área del circuito térmico más grande significa que la transferencia de energía lleva más tiempo, por lo que el rendimiento se verá afectado.
Para demostrarlo, se construyó un convertidor reductor CC-CC. La configuración de prueba de EMC previa al cumplimiento que se muestra en la Figura 4 realiza un escaneo de emisiones conducida entre 150 kHz y 108 MHz.
Es importante asegurarse de que los condensadores utilizados en este caso de estudio sean todos del mismo fabricante para evitar diferencias en las características de impedancia. Al soldar el capacitor en la PCB, asegúrese de que no haya cables largos, ya que esto aumentará el ESL del capacitor. La Figura 5 muestra las tres configuraciones.
Los resultados de las emisiones conducidas de estas tres configuraciones se muestran en la Figura 6. Se puede ver que, en comparación con un solo capacitor de 680 µF, los dos capacitores de 330 µF logran un rendimiento de reducción de ruido de 6 dB en un rango de frecuencia más amplio.
Desde la teoría de circuitos, se puede decir que al conectar dos condensadores en paralelo, tanto el ESL como el ESR se reducen a la mitad. Desde el punto de vista de la teoría de campo, no solo hay una fuente de energía, sino que se suministran dos fuentes de energía a la misma carga, lo que reduce efectivamente el tiempo total de transmisión de energía. Sin embargo, a frecuencias más altas, la diferencia entre dos condensadores de 330 µF y uno de 680 µF se reducirá. Esto se debe a que el ruido de alta frecuencia indica una respuesta de energía de paso insuficiente. Al acercar un capacitor de 330 µF al interruptor, reducimos el tiempo de transferencia de energía, lo que efectivamente aumenta la respuesta escalonada del capacitor.
El resultado nos dice una lección muy importante. Aumentar la capacitancia de un solo capacitor generalmente no respaldará la demanda escalonada de más energía. Si es posible, utilice algunos componentes capacitivos más pequeños. Hay muchas buenas razones para ello. El primero es el costo. En términos generales, para el mismo tamaño de paquete, el costo de un capacitor aumenta exponencialmente con el valor de la capacitancia. Usar un solo capacitor puede resultar más costoso que usar varios capacitores más pequeños. La segunda razón es el tamaño. El factor limitante en el diseño de productos suele ser la altura de los componentes. Para los condensadores de gran capacidad, la altura suele ser demasiado grande, lo que no es adecuado para el diseño del producto. La tercera razón es el rendimiento de EMC que vimos en el estudio de caso.
Otro factor a considerar al usar un capacitor electrolítico es que cuando conectas dos capacitores en serie para compartir el voltaje, necesitarás una resistencia de equilibrio 6.
Como se mencionó anteriormente, los capacitores cerámicos son dispositivos en miniatura que pueden proporcionar energía rápidamente. A menudo me preguntan "¿Cuánto condensador necesito?" La respuesta a esta pregunta es que para los condensadores cerámicos, el valor de la capacitancia no debería ser tan importante. La consideración importante aquí es determinar a qué frecuencia la velocidad de transferencia de energía es suficiente para su aplicación. Si la emisión conducida falla a 100 MHz, entonces el condensador con la impedancia más pequeña a 100 MHz será una buena opción.
Este es otro malentendido del MLCC. He visto a ingenieros gastar mucha energía eligiendo capacitores cerámicos con el ESR y ESL más bajos antes de conectar los capacitores al punto de referencia de RF a través de trazas largas. Vale la pena mencionar que el ESL de MLCC suele ser mucho menor que la inductancia de conexión en la placa. La inductancia de conexión sigue siendo el parámetro más importante que afecta la impedancia de alta frecuencia de los condensadores cerámicos7.
La figura 7 muestra un mal ejemplo. Las trazas largas (0,5 pulgadas de largo) introducen una inductancia de al menos 10 nH. El resultado de la simulación muestra que la impedancia del condensador llega a ser mucho mayor de lo esperado en el punto de frecuencia (50 MHz).
Uno de los problemas de los MLCC es que tienden a resonar con la estructura inductiva del tablero. Esto se puede ver en el ejemplo que se muestra en la Figura 8, donde el uso de un MLCC de 10 µF introduce resonancia a aproximadamente 300 kHz.
Puede reducir la resonancia eligiendo un componente con una ESR mayor o simplemente colocando una resistencia de valor pequeño (como 1 ohmio) en serie con un capacitor. Este tipo de método utiliza componentes con pérdidas para suprimir el sistema. Otro método consiste en utilizar otro valor de capacitancia para mover la resonancia a un punto de resonancia más bajo o más alto.
Los condensadores de película se utilizan en muchas aplicaciones. Son los condensadores elegidos para convertidores CC-CC de alta potencia y se utilizan como filtros de supresión EMI en líneas eléctricas (CA y CC) y configuraciones de filtrado de modo común. Tomamos un capacitor X como ejemplo para ilustrar algunos de los puntos principales del uso de capacitores de película.
Si ocurre un evento de sobretensión, ayuda a limitar el estrés de voltaje máximo en la línea, por lo que generalmente se usa con un supresor de voltaje transitorio (TVS) o un varistor de óxido metálico (MOV).
Quizás ya sepas todo esto, pero ¿sabías que el valor de capacitancia de un capacitor X se puede reducir significativamente con años de uso? Esto es especialmente cierto si el condensador se utiliza en un ambiente húmedo. He visto que el valor de capacitancia del capacitor X solo cae a un pequeño porcentaje de su valor nominal dentro de uno o dos años, por lo que el sistema diseñado originalmente con el capacitor X en realidad perdió toda la protección que podría tener el capacitor frontal.
Entonces, ¿qué pasó? El aire húmedo puede filtrarse hacia el capacitor, subir por el cable y entre la caja y el compuesto de encapsulado epóxico. A continuación se puede oxidar la metalización de aluminio. La alúmina es un buen aislante eléctrico, lo que reduce la capacitancia. Este es un problema que encontrarán todos los condensadores de película. El tema del que estoy hablando es el espesor de la película. Las marcas de condensadores de renombre utilizan películas más gruesas, lo que da como resultado condensadores más grandes que otras marcas. La película más delgada hace que el capacitor sea menos resistente a las sobrecargas (voltaje, corriente o temperatura) y es poco probable que se recupere por sí solo.
Si el condensador X no está conectado permanentemente a la fuente de alimentación, entonces no debe preocuparse. Por ejemplo, para un producto que tiene un interruptor físico entre la fuente de alimentación y el capacitor, el tamaño puede ser más importante que la vida útil, y luego puede elegir un capacitor más delgado.
Sin embargo, si el condensador está conectado permanentemente a la fuente de alimentación, debe ser muy fiable. La oxidación de los condensadores no es inevitable. Si el material epoxi del condensador es de buena calidad y el condensador no se expone con frecuencia a temperaturas extremas, la caída en el valor debería ser mínima.
En este artículo, se presentó por primera vez la visión de la teoría de campo de los condensadores. Ejemplos prácticos y resultados de simulaciones muestran cómo seleccionar y utilizar los tipos de condensadores más comunes. Espero que esta información pueda ayudarle a comprender de forma más completa el papel de los condensadores en el diseño electrónico y EMC.
El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor jefe de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, resolución de problemas y capacitación en EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, motores y diseño de productos ha beneficiado a empresas de todo el mundo.
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