Elección de la tecnología de capacitores adecuada para cada aplicación

Elegir el capacitor adecuado para una aplicación puede suponer una diferencia significativa en el rendimiento, la fiabilidad y la eficiencia de productos como fuentes de alimentación para defensa, aeroespacial, tecnología médica, infraestructuras energéticas críticas o cargadores rápidos de vehículos eléctricos.

Los capacitores son componentes esenciales en muchos circuitos electrónicos, ya que almacenan y liberan energía eléctrica, filtran señales no deseadas y realizan otras funciones. Sin embargo, no todos los capacitores son iguales, y los distintos tipos de condensadores tienen características, ventajas y limitaciones variables.

Seleccionar el tipo de capacitor adecuado es crucial en el diseño del producto. Tres opciones comunes -capacitores cerámicos multicapa (MLCC), de película o electrolíticos de aluminio- ofrecen ventajas y desventajas, y existen innumerables variaciones dentro de cada categoría. Elegir el tipo adecuado garantiza que el producto final tenga suficiente almacenamiento de energía, que quepa en el espacio disponible y que funcione de forma fiable para el uso previsto.

El caso de los MLCC

Los MLCC están formados por capas alternas de dieléctrico cerámico y electrodos metálicos apilados y sinterizados para formar un paquete compacto. Ampliamente utilizados en muchos dispositivos electrónicos, los MLCC proporcionan altos valores de capacitancia en tamaños pequeños, resistencia equivalente en serie (ESR) baja, baja corriente de fuga, respuesta de alta frecuencia y buena estabilidad de temperatura.

Los MLCC son adecuados para aplicaciones que requieren alta densidad de potencia, alta eficiencia, bajo nivel de ruido y alta fiabilidad. Sin embargo, hay variaciones dentro de esta categoría que pueden marcar la diferencia a la hora de desarrollar productos de éxito:

• MLCC de alta fiabilidad: Ofrecen alta fiabilidad, baja tasa de fallos, larga duración y alto rendimiento en condiciones adversas. Estas características son importantes para cumplir los estrictos requisitos de sectores como el aeroespacial y de defensa, incluidas las especificaciones MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 y MIL-PRF-39014, así como las aplicaciones médicas.
• MLCC de alto voltaje: Funcionan a voltajes superiores a 500 V y hasta 12 kV. Están diseñados para aplicaciones que requieren aislamiento de alta tensión, como fuentes de alimentación, generadores de impulsos y equipos de rayos X. Características: alta capacitancia, baja ESR, bajo factor de disipación y alto voltaje disruptivo.
• MLCC de alta temperatura: Funcionan a temperaturas superiores a +125 °C, hasta +250 °C. Están diseñados para aplicaciones que requieren estabilidad a altas temperaturas, como la perforación de pozos, la automoción y la industria. Proporcionan alta capacitancia, baja ESR, bajo coeficiente de temperatura y alta resistencia al choque térmico.

Ventajas de los capacitores de película

Los capacitores de película son adecuados para aplicaciones que requieren alta potencia, alta corriente, alta tensión y alta frecuencia, como conversión de potencia, filtrado, amortiguación y acoplamiento. Estos capacitores están formados por una fina película de material dieléctrico -como poliéster, polipropileno, policarbonato o polisulfuro de fenileno- entre dos electrodos metálicos, enrollados en forma cilíndrica o apilados en forma plana.

Los capacitores de película suelen ser más grandes y caros que los MLCC, pero ofrecen altos valores de capacitancia, altos voltajes nominales, baja ESR, bajo factor de disipación, alta respuesta en frecuencia y larga duración. Las ventajas de esta tecnología incluyen valores nominales de capacitancia más elevados, cambio lineal de capacitancia con la tensión y la temperatura, ausencia de ruido piezoeléctrico, capacidad de autorreparación y larga duración.

Hay varias categorías de capacitores de película que pueden influir en la elección del más adecuado para una aplicación:

• Los capacitores de película de poliéster metalizada utilizan una fina capa de metal, como aluminio o zinc, depositada sobre la película de poliéster como electrodos. Ofrecen alta capacitancia, baja ESR, bajo costo y buenas propiedades de autorreparación. Satisfacen las necesidades de aplicaciones de uso general, como la derivación, el acoplamiento y el desacoplamiento.
• Los capacitores de película de polipropileno metalizado utilizan película de polipropileno como electrodos con una fina capa de metal, como aluminio o zinc. Se caracterizan por su alta capacitancia, baja ESR, bajo factor de disipación, alta respuesta en frecuencia y gran estabilidad. Son adecuados para aplicaciones de alto rendimiento, como la corrección del factor de potencia, el filtrado y el snubbing.
• Los capacitores de película de policarbonato utilizan una película de policarbonato como material dieléctrico. Ofrecen alta capacitancia, valor nominal de voltaje bajo, coeficiente de temperatura bajo y alta fiabilidad. Son adecuados para aplicaciones que requieren estabilidad a altas temperaturas, como circuitos de temporización, detección y precisión.
• Los capacitores de película de sulfuro de polifenileno utilizan película de sulfuro de polifenileno como material dieléctrico. Ofrecen alta capacitancia, alto valor nominal de temperatura, baja ESR, bajo factor de disipación y respuesta de alta frecuencia. Entre las aplicaciones adecuadas se incluyen las que requieren un rendimiento a alta temperatura, como automoción, industria y telecomunicaciones.
• Los capacitores de película de papel metalizado utilizan película de papel metalizado como material dieléctrico. Ofrecen alta capacitancia, alto valor nominal de voltaje, baja ESR, bajo factor de disipación y altas propiedades de autorreparación. Son adecuados para aplicaciones que requieren aislamiento de alta tensión, como fuentes de alimentación, generadores de impulsos y equipos de rayos X.

Capacitores electrolíticos de aluminio

Los capacitores electrolíticos de aluminio son adecuados para aplicaciones que requieren alta capacitancia, alto voltaje y baja frecuencia, como suavizado, filtrado y almacenamiento de energía.

Gracias a su capacidad de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica para su tamaño, un capacitor electrolítico de aluminio es aplicable para suavizar fuentes de alimentación en dispositivos electrónicos. Pueden tener una vida útil más corta que los MLCC y las alternativas de película, y como están polarizados con un terminal positivo y otro negativo, pueden dañarse si se instalan al revés. También pueden perder continuamente una pequeña cantidad de corriente y no son tan estables a altas frecuencias en comparación con otras alternativas.

Los capacitor electrolítico de aluminio están disponibles en varios tipos de electrolito, como líquido, sólido o híbrido, que tienen diferentes características de rendimiento, estabilidad y fiabilidad:

• Los capacitores electrolíticos de aluminio líquido utilizan una solución electrolítica líquida como cátodo. Ofrecen alta capacitancia, alto valor nominal de voltaje y bajo coste. Sin embargo, también tienen una ESR elevada, una corriente de fuga elevada, un factor de disipación elevado y una vida útil limitada. Son adecuados para aplicaciones de uso general, como suavizado, filtrado y almacenamiento de energía.
• Los capacitores electrolíticos de aluminio sólido tienen un material electrolítico sólido -como dióxido de manganeso o polímero conductor- para el cátodo. Ofrecen baja ESR, baja corriente de fuga, bajo factor de disipación y larga duración. Sin embargo, también tienen menor capacitancia, menor valor nominal de voltaje y mayor coste que los condensadores de electrolito líquido. Son adecuados para aplicaciones de alto rendimiento, como fuentes de alimentación conmutadas, controladores led y amplificadores de audio.
• Los capacitores electrolíticos de aluminio híbridos utilizan una combinación de electrolitos líquidos y sólidos como cátodo. Ofrecen un equilibrio de capacitancia, valor nominal de voltaje, ESR, corriente de fuga, factor de disipación y vida útil. Son adecuados para aplicaciones que requieren alta densidad de potencia, alta fiabilidad y rendimiento a altas temperaturas, como la automoción, la industria y las telecomunicaciones.

La adquisición de un proveedor amplía la cartera de capacitores

Knowles y Cornell Dubilier Electronics (CDE) son dos fabricantes líderes de condensadores, que ofrecen una amplia gama de tecnologías y productos de capacitores. Knowles adquirió CDE en 2023, combinando los puntos fuertes complementarios de ambas empresas, incluidos los capacitores de película y capacitores electrolíticos de aluminio de CDE, y los capacitores de película y MLCC de Knowles Precision Devices.

Knowles ofrece una amplia gama de MLCC en encapsulados estándar de montaje en superficie y encapsulados de cinta o conductor radial, que van desde menos de un picofaradio a cientos de microfaradios, con valores nominales de 6.3 V a 12 kV. Los MLCC de Knowles están disponibles en varios materiales dieléctricos con diferentes coeficientes de temperatura, constantes dieléctricas y velocidades de envejecimiento.

El enfoque de fabricación FlexiCap™ de Knowles utiliza un material de terminación de polímero epoxi flexible patentado que se aplica bajo el acabado de barrera de níquel habitual y que admite un mayor grado de flexión de la placa que los capacitores convencionales. Su gama StackiCap™ ofrece una reducción significativa del espacio ocupado en la placa de circuito impreso para un valor de capacitancia equivalente en casos en los que el espacio en la placa es reducido; por ejemplo, un chip estándar de 150 nanofaradios (nF) en un tamaño de carcasa 8060 está disponible en un tamaño de carcasa 3640 mucho más pequeño.

El 2220Y5000564KXT de Knowles Syfer (Figura 1) es un MLCC FlexiCap de montaje en superficie que puede almacenar 0.56 microfaradios (µF) de carga eléctrica -con una tolerancia de ±10%- y está diseñado para soportar hasta 500 V. Forma parte de una familia de productos de MLCC con capacidad de CC que van desde 0.2 picofaradios (pF) hasta 22 µF y en tamaños de caja de 0402 a 8060.

Figura 1: Representación del 2220Y5000564KXT de Knowles Syfer (Fuente de la imagen: Knowles)

El 2220Y6300105KETWS2 de Knowles Syfer (Figura 2) es un MLCC StackiCap que puede almacenar 1 µF de carga eléctrica, con una tolerancia de ±10%, y está clasificado para 630 V.

Figura 2: Ilustración del embalaje StackiCap para 2220Y6300105KETWS2 de Knowles Sifer y MLCC similares. (Fuente de la imagen: Knowles)

Knowles CDE ofrece una amplia selección de capacitores estándares y personalizados con terminales de tornillo, a presión y de montaje en placa para su uso en aplicaciones críticas, que van desde desfibriladores e imágenes médicas hasta sistemas de radar y SAI de reserva de energía para grandes sistemas de datos.

El 477XMPL002MG19R de CDE forma parte de la serie de capacitores de chip de polímero XMPL para aplicaciones que requieren mayores requisitos de voltaje y/o capacitancia. Con una ESR baja y unos valores de corriente de ondulación resistentes, superan a los electrolíticos de montaje en superficie de mayor tamaño y proporcionan una vida útil más larga, mayor estabilidad con los cambios de temperatura y una ESR más baja a frecuencias más altas. Los valores de capacitancia estándar de la serie van ahora de 6.8 µF a 470 µF, con una tensión máxima de trabajo de 35 V_CC en un encapsulado moldeado que mide 7.3 mm x 4.3 mm x 1.9 mm.

Entre una amplia gama de capacitores de película, los capacitores de película acrílica tipo FCA de CDE, como el FCA0805C104M-J2, ofrecen altos valores de capacitancia en tamaños de carcasa estándar de montaje en superficie. La serie ofrece un rango de capacitancia de 0.10 µF a 1.0 µF. Como capacitores de acoplamiento en circuitos de Audio, pueden proporcionar un sonido sin distorsiones y filtrado de altas frecuencias.

Conclusión:

Los capacitores son componentes electrónicos vitales, y seleccionar el adecuado es crucial en el diseño de productos. Afortunadamente, Knowles y Cornell Dubilier Electronics proporcionan acceso a una amplia selección de tipos comunes con múltiples variaciones, así como a tipos especiales diseñados para aplicaciones específicas.