Un rápido google y todo lo que parece que puedo encontrar son personas que hablan sobre la física y la química de los condensadores, pero no cómo esto afecta la elección de cuál usar.

Evitando hablar sobre la diferencia en su composición y las capacidades más grandes que se encuentran en las tapas electrolíticas, ¿cuáles son los pensamientos principales que impulsan qué tipo de condensador usar para una aplicación?

Por ejemplo, ¿por qué veo que se sugiere usar tapas de cerámica para el desacoplamiento de energía por microprocesador y un condensador electrolítico más grande por placa? ¿Por qué no usar electrolítico por todas partes?

1. condensadores

Hay muchos conceptos erróneos sobre los condensadores, por lo que quería aclarar brevemente qué es la capacidad y qué hacen los condensadores.

La capacitancia mide cuánta energía se almacenará en el campo eléctrico generado entre dos puntos diferentes para una diferencia de potencial dada. Esta es la razón por la cual la capacitancia a menudo se llama 'dual' de inductancia. La inductancia es la cantidad de energía que un flujo de corriente dado almacenará en un campo magnético, y la capacitancia es la misma, pero para la energía almacenada en un campo eléctrico (por una diferencia de potencial, en lugar de la corriente).

Los condensadores no almacenan carga eléctrica, que es el primer gran error. Almacenan energía. Por cada portador de carga que fuerce en una placa, sale un portador de carga en la placa opuesta. La carga neta sigue siendo la misma (descuidando cualquier posible carga 'estática' desequilibrada mucho más pequeña que pueda acumularse en placas exteriores expuestas asimétricas).

Los condensadores almacenan energía en el dieléctrico, NO en las placas conductoras. Solo dos cosas determinan la efectividad de un capacitor: sus dimensiones físicas (área de placa y distancia que las separa) y la constante dieléctrica del aislamiento entre las placas. Más área significa un campo más grande, las placas más cercanas significan un campo más fuerte (dado que la intensidad del campo se mide en voltios por metro, por lo que la misma diferencia de potencial en una distancia mucho menor produce un campo eléctrico más fuerte).

La constante dieléctrica es qué tan fuerte se generará un campo en un medio específico. La constante dieléctrica 'basal' es , con un valor normalizado de 1. Esta es la constante dieléctrica de un vacío perfecto, o la intensidad de campo que ocurre a través del espacio-tiempo mismo. La materia tiene un impacto muy grande en esto, y puede apoyar la generación de campos mucho más fuertes. Los mejores materiales son materiales con muchos dipolos eléctricos que mejorarán la fuerza de un campo generado dentro del material. $\varepsilon$

Área de placa, dieléctrico y separación de placa. Eso es realmente todo lo que hay para los condensadores. Entonces, ¿por qué son tan complicados y variados?

No lo son Excepto los que tienen mucho más que miles de pF de capacitancia. Si desea cantidades tan ridículas de capacitancia como la mayoría de las veces damos por sentado hoy, cantidades tales como millones de picofaradios (microfaradios) e incluso un orden de magnitudes más allá, estamos a merced de la física.

Como cualquier buen ingeniero, ante los límites impuestos por las leyes de la naturaleza, de todos modos hacemos trampa y superamos esos límites. Los condensadores electrolíticos y los condensadores cerámicos de alta capacitancia (0.1 µF a 100 µF +) son los trucos sucios que utilizamos.

2. condensadores electrolíticos

Aluminio

La primera y más importante distinción (por la cual reciben su nombre) es que los condensadores electrolíticos usan un electrolito. El electrolito sirve como la segunda placa. Al ser un líquido, esto significa que puede estar directamente contra un dieléctrico, incluso uno que tenga una forma desigual. En los condensadores electrolíticos de aluminio, esto nos permite aprovechar la oxidación de la superficie del aluminio (material duro, a veces deliberadamente poroso e impregnado de colorante para los colores, sobre aluminio anodizado que equivale a un recubrimiento de zafiro aislante) para su uso como dieléctrico. Sin embargo, sin una 'placa' electrolítica, la irregularidad de la superficie evitaría que una placa metálica rígida se acerque lo suficiente como para ganar algo de ventaja al usar óxido de aluminio en primer lugar.

Aún mejor, al usar un líquido, la superficie del papel de aluminio puede ser rugosa, causando un gran aumento en el área de superficie efectiva. Luego se anodiza hasta que se haya formado una capa suficientemente gruesa de óxido de aluminio en su superficie. Una superficie rugosa de la cual todo estará directamente adyacente a la otra 'placa': nuestro electrolito líquido.

Hay problemas, sin embargo. El más familiar es la polaridad. Anodización de aluminio, si no se nota por su similitud con la palabra ánodo, es un proceso dependiente de la polaridad. El condensador siempre debe usarse en la polaridad que anodiza el aluminio. La polaridad opuesta permitirá que el electrolito destruya el óxido de la superficie, lo que te deja con un condensador en corto. De todos modos, algunos electrolitos se comerán lentamente esta capa, por lo que muchos condensadores electrolíticos de aluminio tienen una vida útil. Están diseñados para ser utilizados, y ese uso tiene el efecto secundario beneficioso de mantener e incluso restaurar el óxido de la superficie. Sin embargo, con un desuso lo suficientemente largo, el óxido puede ser completamente destruido. Si debe usar un condensador viejo y polvoriento de condición insegura, es mejor 'reformarlos' aplicando una corriente muy baja (cientos de µA a mA) desde una fuente de alimentación de corriente constante, y dejar que el voltaje aumente lentamente hasta que alcance su nivel máximo. Tensión nominal.

El otro problema es que los electrolitos son, debido a la química, algo iónico disuelto en un solvente. Los de aluminio no polimérico usan agua (con algunos otros ingredientes de 'salsa secreta'). ¿Qué hace el agua cuando la corriente fluye a través de ella? Se electroliza! Genial si quieres oxígeno y gas hidrógeno, terrible si no lo deseas. En las baterías, la recarga controlada puede reabsorber este gas, pero los condensadores no tienen una reacción electroquímica que se invierte. Solo usan el electrolito como algo conductor. Entonces, pase lo que pase, generan pequeñas cantidades de hidrógeno gaseoso (el oxígeno se usa para formar la capa de óxido de aluminio) y, aunque es muy pequeño, nos impide sellar herméticamente estos condensadores. Entonces se secan.

La vida útil estándar a temperatura máxima es de 2.000 horas. Eso no es muy largo. Alrededor de 83 días. Esto se debe simplemente a que las temperaturas más altas hacen que el agua se evapore más rápidamente. Si desea que algo tenga longevidad, es importante mantenerlo lo más fresco posible y obtener los modelos de mayor resistencia (he visto unos de hasta 15,000 horas). A medida que el electrolito se seca, se vuelve menos conductor, lo que aumenta la VSG, lo que a su vez aumenta el calor, lo que agrava el problema.

Tantalio

Los condensadores de tantalio son la otra variedad de condensadores electrolíticos. Estos usan dióxido de manganeso como su electrolito, que es sólido en su forma final. Durante la producción, el dióxido de manganeso se disuelve en un ácido, luego se deposita electroquímicamente (similar a la galvanoplastia) sobre la superficie del polvo de tantalio que luego se sinteriza. Los detalles exactos de la parte 'mágica' donde crean una conexión eléctrica entre todos los pequeños trozos de polvo de tantalio y el dieléctrico no me son conocidos (¡se aprecian ediciones o comentarios!), Pero es suficiente decir que los condensadores de tantalio están hechos de tantalio debido a una química que nos permite fabricarlos fácilmente a partir de un polvo (área de superficie alta).

Esto les da una eficiencia volumétrica excelente, pero a un costo: el tántalo libre y el dióxido de manganeso pueden experimentar una reacción similar a la termita, que es aluminio y óxido de hierro. Solo que la reacción de tantalio tiene temperaturas de activación mucho más bajas: las temperaturas que se alcanzan fácil y rápidamente deben tener una polaridad opuesta o un evento de sobretensión perforar un agujero a través del dieléctrico (pentóxido de tantalio, muy parecido al óxido de aluminio) y crear un corto. Es por eso que ve el voltaje y la corriente de los condensadores de tantalio disminuidos en un 50% o más. Para aquellos que desconocen la termita (que es mucho más caliente pero aún no es diferente a la reacción de tántalo y MnO ₂ ), hay una tonelada de fuego y calor. Se utiliza para soldar rieles de ferrocarril entre sí, y realiza esta tarea en segundos.

También hay condensadores electrolíticos de polímero, que utilizan un polímero conductor que, en su forma de monómero, es un líquido, pero cuando se expone al catalizador adecuado, se polimerizará en un material sólido. Esto es como el súper pegamento, que es un monómero líquido que polimeriza el sólido una vez que está expuesto a la humedad (ya sea en / sobre las superficies a las que se aplica o desde el aire mismo). De esta manera, los condensadores de polímero pueden ser principalmente un electrolito sólido, lo que da como resultado una reducción de ESR, una mayor longevidad y, en general, una mayor robustez. Sin embargo, todavía tienen una pequeña cantidad de disolvente en la matriz polimérica, y es necesario que sea conductor. Entonces todavía se secan. No hay almuerzo gratis por desgracia.

Ahora, ¿cuáles son las propiedades eléctricas reales de este tipo de condensadores? Ya mencionamos la polaridad, pero el otro es su ESR y ESL. Los condensadores electrolíticos, debido a que están construidos como una placa muy larga enrollada en una bobina, tienen un ESL relativamente alto (inductancia en serie equivalente). Tan alto, de hecho, que son completamente ineficaces como condensadores por encima de 100 kHz o 150 kHz para los tipos de polímeros. Por encima de esta frecuencia, son básicamente resistencias que bloquean CC. No van a hacer nada para el rizado de la tensión, y en lugar de hacer la ondulación sea igual a la corriente multiplicada por la ondulación de la ESR condensador, que a menudo puede hacer ondulación aún peor . Por supuesto, esto significa que cualquier tipo de ruido o pico de alta frecuencia simplemente se disparará a través de un condensador electrolítico de aluminio como si ni siquiera estuviera allí.

Los tantalios no son tan malos, pero aún así pierden su efectividad con frecuencias medias (los mejores y los más pequeños casi pueden alcanzar 1MHz, la mayoría pierde su característica capacitiva alrededor de 300–600kHz).

Con todo, los condensadores electrolíticos son excelentes para almacenar una tonelada de energía en un espacio pequeño, pero en realidad solo son útiles para lidiar con el ruido o la ondulación por debajo de 100 kHz. Si no fuera por esa debilidad crítica, habría pocas razones para usar cualquier otra cosa.

3. Condensadores cerámicos

Los condensadores de cerámica usan una cerámica como su dieléctrico, con metalización a ambos lados como las placas. No entraré en los tipos de Clase 1 (baja capacitancia), sino solo en la clase II.

Los condensadores de clase II hacen trampa usando el efecto ferroeléctrico. Esto es muy similar al ferromagnetismo, solo que con campos eléctricos. Un material ferroeléctrico tiene una tonelada de dipolos eléctricos que pueden, en un grado u otro, orientarse en presencia de un campo eléctrico externo. Por lo tanto, la aplicación de un campo eléctrico alineará los dipolos, lo que requiere energía, y hace que una gran cantidad de energía se almacene en el campo eléctrico. ¿Recuerdas cómo un vacío era la línea de base de 1? La cerámica ferroeléctrica utilizada en los MLCC modernos tiene una constante dieléctrica del orden de 7,000.

Desafortunadamente, al igual que los materiales ferromagnéticos, a medida que un campo cada vez más fuerte magnetiza (o polariza en nuestro caso) un material, comienza a quedarse sin más dipolos para polarizarse. Se satura. En última instancia, esto se traduce en la propiedad desagradable de los condensadores cerámicos de tipo X5R / X7R / etc. Cuanto mayor sea el voltaje en sus terminales, menor será su capacitancia efectiva. La cantidad de energía almacenada siempre aumenta con el voltaje, pero no es tan buena como cabría esperar en función de su capacidad imparcial.

La clasificación de voltaje de un condensador de cerámica tiene muy poco efecto sobre esto. De hecho, el voltaje de resistencia real de la mayoría de las cerámicas es mucho mayor, 75 o 100V para las de menor voltaje. De hecho, sospecho que muchos condensadores cerámicos son exactamente la misma parte, pero con diferentes números de parte, el mismo condensador de 4.7 µF se vende como condensador de 35 V y 50 V bajo diferentes etiquetas. El gráfico de la capacitancia de algunos MLCC versus el voltaje de polarización es idéntico, excepto para el voltaje más bajo que tiene su gráfico truncado a su voltaje nominal. Sospechoso, ciertamente, pero podría estar equivocado.

De todos modos, comprar cerámica de mayor calificación no hará nada para combatir esta caída de capacitancia relacionada con el voltaje, el único factor que finalmente juega un papel es el volumen físico del dieléctrico. Más material significa más dipolos. Por lo tanto, los capacitores físicamente más grandes retendrán más de su capacitancia bajo voltaje.

Esto tampoco es un efecto trivial. Un condensador cerámico 1210 10µF 50V, una verdadera bestia de un condensador, perderá el 80% de su capacitancia en 50V. Algunos son un poco mejores, otros son un poco peores, pero el 80% es una cifra razonable. Lo mejor que he visto fue una capacidad de 1210 (pulgadas) de aproximadamente 3 µF de capacitancia para cuando llegó a 60V, en un paquete de 1210 de todos modos. Una cerámica de 10µF 1206 (pulgadas) de 50V tendrá la suerte de tener 500nF a 50V.

Las cerámicas de clase II también son piezoeléctricas y piroeléctricas, aunque esto realmente no las impacta eléctricamente. Se sabe que vibran o cantan debido a la ondulación, y pueden actuar como micrófonos. Probablemente sea mejor evitar usarlos como condensadores de acoplamiento en circuitos de audio.

De lo contrario, la cerámica tiene el ESL y ESR más bajos de cualquier condensador. Son los más 'condensadores' del grupo. Su ESL es tan bajo que la fuente principal es la altura de las terminaciones finales en el paquete en sí. Sí, esa altura de una cerámica 0805 es la fuente principal de sus 3 nH de ESL. Todavía se comportan como condensadores en los muchos MHz, o incluso más para los tipos de RF especializados. También pueden desacoplar mucho ruido y desacoplar cosas muy rápidas como los circuitos digitales, para lo que los electrolíticos son inútiles.

En conclusión, los electrolíticos son:

• mucha capacidad a granel en un paquete pequeño
• terrible en todos los otros sentidos

Son lentos, se desgastan, se incendian, se convertirán en cortos si los polarizas mal. Según todos los criterios, los condensadores se miden, salvo la capacitancia en sí, los electrolíticos son absolutamente terribles. Los usas porque tienes que hacerlo, nunca porque quieras.

Las cerámicas son:

• Inestable y pierde mucha de su capacitancia bajo polarización de voltaje
• Puede vibrar o actuar como micrófonos. O nanoaccionadores!
• De lo contrario son increíbles.

Los condensadores de cerámica son lo que desea usar, pero no siempre pueden hacerlo. En realidad, se comportan como condensadores e incluso a altas frecuencias, pero no pueden igualar la eficiencia volumétrica de los electrolíticos, y solo los tipos de Clase 1 (que tienen cantidades muy pequeñas de capacitancia) tendrán una capacitancia estable. Varían bastante con la temperatura y el voltaje. Ah, también pueden agrietarse y no son tan mecánicamente robustos.

Oh, una última nota, puede usar electrolíticos muy bien en aplicaciones de CA / no polarizadas, con todos sus otros problemas aún en juego, por supuesto. Simplemente conecte un par de condensadores electrolíticos polarizados regulares, con los mismos terminales de terminales de polaridad juntos, y ahora los extremos de polaridad opuestos son los terminales de un nuevo electrolítico no polar. Mientras sus valores de capacitancia coincidan bastante bien y haya una cantidad limitada de polarización de CC en estado estable, los condensadores parecen resistir su uso.

Por ejemplo, ¿por qué veo que se sugiere usar tapas de cerámica para el desacoplamiento de energía por microprocesador y un condensador electrolítico más grande por placa? ¿Por qué no usar electrolítico por todas partes?

Los tres tipos principales tienen características diferentes: le sugiero que investigue un poco sobre ellos, pero lo más importante que debe buscar es

• frecuencia autorresonante (provocada por la inductancia efectiva en serie). Ejemplo simple que se muestra a continuación: -

• Pérdidas dieléctricas (generalmente a altas frecuencias): -

• resistencia efectiva en serie (más pérdidas)

• cambio en la capacitancia con el voltaje aplicado (no es bueno para los filtros): -

• cambio en la capacitancia con la temperatura (tampoco es bueno para los filtros): -

• expectativas iniciales de tolerancia

• corriente de ondulación (importante para las fuentes de alimentación debido a las altas demandas máximas): -

• Capacidad para evitar cortocircuitos (condensadores X e Y)

• Microfonía baja (importante en aplicaciones de audio sensibles). Aquí hay un tipo que lo sabe:

• Las tapas electrolíticas básicas están polarizadas, por lo tanto, las aplicaciones de CA están restringidas. Aquí está el circuito equivalente: -

Estoy seguro de que hay algunas otras cosas, pero serán evidentes durante su investigación.

La diferencia obvia es que los electrolíticos son mucho más grandes que la cerámica. Las cerámicas de 1 mm por 0,5 mm son una variedad de jardín común, sus latas electrolíticas son mucho más grandes.

Entonces, como otros ya han señalado, los electrolíticos no funcionan tan bien en frecuencias altas, por lo que no son adecuados para evitar las frecuencias "altas", no puede seguir el ritmo del chip de 1MHz, y mucho menos el PHY de Ethernet de gigabit de 125MHz.

Otro punto de discusión es el ESR. En aplicaciones de energía, esto tiende a traducirse directamente en calor residual en los nodos de conmutación, por lo que un electrolítico tiende a ser elegido por la corriente de ondulación en lugar de la capacitancia.

La electrolítica también es bastante horrible con la estabilidad de la temperatura, etc., por lo que su capacitancia puede variar bastante.

La cerámica ha progresado mucho, cuando comencé 100nF cerámica era "gran capacidad". Ahora puede comprar cerámica de 10uF a bajo precio. El inconveniente aquí que no es obvio es que las cerámicas "grandes" que usan dieléctrico X7R (o peor) pierden capacitancia al mayor voltaje al que están sujetas. Su cerámica de 10uF 80V puede ser de solo 1uF a 63V.

La tolerancia al voltaje de cerámica tampoco es una pauta, aumenta un voltio y comienza a fallar. No es que alguna vez deba usar pasivos sin disminuir la capacidad.

Por lo tanto, el gran electrolítico puede proporcionar un gran "cubo de electrones" que se mantiene al día con los picos de potencia de baja frecuencia en los circuitos. Las cerámicas más pequeñas ocupan las frecuencias medias de hasta 50MHz, a menos que tenga mucho cuidado con la colocación, el enrutamiento y la selección de piezas. Para frecuencias altas reales, desea planos de potencia estrechamente acoplados.

Otro inconveniente con la cerámica es la impedancia sobre la frecuencia, la gran capacitancia no funciona bien con altas frecuencias y viceversa. Esto tiene que ver con capacitancias e inductancias debido al paquete físico.

Propiedades de los condensadores electrolíticos.

• Efectivo a baja frecuencia
• Gran capacitancia
• Bajo costo
• Gran ESR
• ESL grande

Propiedades de los condensadores de cerámica.

• Efectivo a alta frecuencia
• La capacitancia efectiva disminuye con el voltaje de polarización
• Más caro que el condensador electrolítico.
• Baja ESR
• Bajo ESL
• Tamaño limitado del condensador

Hay muchos factores que influirían en la decisión de qué tipo de condensador utilizar en cualquier caso. Aquí hay algunos:

1. El costo es un factor. Una aplicación determinada requerirá un determinado conjunto de especificaciones, como la capacidad y el costo, que guiarán la decisión.

2. Requisitos de desempeño. Se deseará cumplir ciertos objetivos, como la respuesta transitoria. Si una especificación como el ESR (resistencia en serie efectiva) es demasiado alta, el condensador puede no proporcionar los requisitos de flujo de corriente necesarios.

3. Tamaño y montaje. El método de conexión al circuito también guiará la selección. Un SMT pequeño puede ser mucho más fácil de abrazar contra los pines de un IC, mientras que un tipo con plomo puede ser más resistente.

Las diferencias tangibles pueden ser:

1. Los condensadores de cerámica tienen una ESR más baja y, debido a esto, ofrecen corrientes de fuga más bajas que los condensadores electrolíticos. Consejo: intente utilizar condensadores de cerámica para sus diseños alimentados por batería.

2. Lowe ESR también significa que los condensadores cerámicos tienen una mejor respuesta transitoria para que puedan proporcionar corriente (más fácilmente) durante un transitorio.

3. Los condensadores electrolíticos no ofrecen una buena estabilidad de temperatura, por lo que su capacitancia puede cambiar 20% o 30% de su valor original.

4. Precio: si necesita grandes valores de capacitancia (digamos> 100uF), verá que los condensadores de cerámica son muy caros en comparación con los condensadores electrolíticos.