Más allá del símbolo esquemático aparentemente simple del capacitor polarizado (vea la figura 1) se encuentra un componente vital sofisticado de muchos circuitos electrónicos. Este capacitor, a menudo denominado capacitor electrolítico o simplemente "electrolítico" debido a su construcción, desempeña un rol esencial en garantizar que la salida de un suministro de potencia pueda generar la corriente necesaria y a una tensión de suministro de CC nominal.
Figura 1: el símbolo más común para el capacitor polarizado en a) EE. UU. y b) Europa; existen muchas variaciones.
¿Por qué utilizar dicho capacitor y por qué está polarizado? El rol principal de este capacitor es funcionar como contenedor de almacenamiento de reserva de energía eléctrica para la carga, incluso si la salida del suministro de potencia mismo (usualmente un suministro de CA/CC) tiene ondulaciones a 60/120 Hz (50/100 Hz en algunas regiones del mundo) debido a la naturaleza del circuito de regulación de potencia.
Capacitor de aluminio 33uF de Lelon Electronics.
El capacitor es análogo a un depósito: el núcleo del suministro de potencia bombea energía (agua) al depósito, pero no a una tasa constante. La carga (los usuarios) extrae agua a tasas variables, a veces con cambios lentos y a veces con aumentos repentinos transitorios de gran demanda. Deben hacer esto a pesar de las fluctuaciones en la tubería de suministro principal conectada desde la planta de purificación de agua. No desean ver fluctuaciones en la presión de agua (tensión) a pesar de los cambios en la tasa de flujo (corriente) en la fuente o la carga.
El capacitor es una amortiguación o búfer de energía eléctrica y tiene dos tareas: suaviza las ondulaciones en la salida del regulador básico cuando la carga es constante y suministra energía según sea necesario cuando la carga misma varía. Por estos motivos, los capacitores electrolíticos de gran valor utilizados en la salida de suministros de potencia a menudo se denominan componentes de "almacenamiento a granel" y funcionan como filtros básicos contra las fluctuaciones de tensión de suministro de salida no deseadas, a pesar de los cambios en la demanda de carga o tensión de entrada del regulador.
Generalmente, un capacitor está formado por dos superficies conductivas separadas por un dieléctrico. Este dieléctrico puede ser aire, papel, cerámica o una película química electrolítica especializada. La mayoría de los capacitores elecrolíticos se construyen con dos capas muy finas de papel de metal (aluminio, tantalio o niobio) con una capa de óxido dieléctrico que se reviste sobre una capa, y luego todo el conjunto se enrolla (figura 2).
Figura 2: la construcción interna de un capacitor electrolítico basado en aluminio muestra las capas separadas por un dieléctrico y enrollada en una caja cilíndrica. (Fuente: Nichicon Corp.)
La unidad final se sella con un revestimiento especializado que puede ser plástico, resina epóxica, metal u otro material para mantener la humedad afuera y el material electrolítico adentro, en caso de una "dispersión" química o falla de la caja (figura 3).
Figura 3: un capacitor electrolítico completado listo para utilizar; este tiene una clasificación de 10 000 μF (0,1 F), 15 VCC y tiene 40 mm de alto con un diámetro de 18 mm. (Fuente: Kemet Corp.)
Con un dieléctrico no químico, el capacitor resultante no se polariza y se puede utilizar con formas de onda de CA; también, se puede insertar de cualquiera de los dos lados en el circuito. Sin embargo, debido a la naturaleza química de la película y la construcción utilizada para los capacitores electrolíticos, hay una polaridad de instalación y uso. Revertir la tensión en dicho dispositivo lo degradará y luego lo dañará.
Dada la restricción, ¿por qué utilizar capacitores electrolíticos polarizados? La respuesta es simple: para lograr una densidad capacitiva alta y un valor relacionado. La mayoría de los suministros de potencia de CA/CC necesitan capacitancia en el orden de varios cientos a diez mil microfaradios (μF) y esto solo se puede lograr en un componente de tamaño razonable que utiliza la construcción de capacitores electrolíticos. Con cerámica o aire como dieléctrico, se requerirá un volumen de capacitor que varíe fácilmente entre 100× y 1000×.
También se debe considerar el costo, ya que un capacitor más grande requerirá más material. Esto generará un costo directo mayor y el costo adicional por utilizar más espacio en la placa de la PC o un mayor suministro de potencia general. Los supercapacitores pueden parecer una alternativa mejor o más pequeña, ya que pueden proporcionar clasificaciones de varios faradios fácilmente, pero no pueden manejar la naturaleza de carga/descarga o corriente de ondulación de un regulador de suministro de potencia y su carga.
Parámetros de selección clave
El parámetro principal para estos dispositivos de almacenamiento a granel es su capacitancia, por supuesto. Los valores de los capacitores electrolíticos comienzan en aproximadamente 1 μF y suben a miles de μF. Si se requiere más capacitancia de lo que un solo componente puede proporcionar, los capacitores se pueden utilizar en paralelo.
El siguiente parámetro que el diseñador debe seleccionar es la tensión de trabajo, usualmente designada como WVDC (CC de tensión de trabajo). Esta es la clasificación de tensión de CC máxima a la que el capacitor operará de forma confiable; es una función del diseño y la caja. Una WVDC superior requiere un dispositivo de mayor tamaño para soportar el arqueo y perforación internos, y es más costosa. Es por esto que el diseñador debe tener cuidado de no especificar demasiado este factor. La mayoría de los diseñadores utilizan un margen de seguridad de 2× en la WVDC para admitir cualquier ondulación o tensión transitoria en el capacitor del suministro; por lo tanto, un capacitor de 25 V WVDC se utilizaría con un suministro de potencia nominal de 12 V CC.
Si bien, idealmente, un capacitor sería solo eso, en realidad, cada capacitor tiene una resistencia en serie equivalente (ESR) y una autoinductancia. La ESR de un capacitor de alta calidad es del orden de 0,1 a 1 Ω; cuanto mayor sea la ESR, menos se desempeñará el capacitor como un dispositivo ideal, y puede causar falla de funcionamiento en el circuito del regulador. En capacitadores electrolíticos de menor calidad, la ESR aumentará con el tiempo y la temperatura, y puede incluso alcanzar decenas de ohmios, con consecuencias perjudiciales. Los capacitores también tienen una cantidad pequeña de corriente de dispersión debido al dieléctrico defectuoso.
Además, cada componente real tiene una inductancia parasitaria; para los capacitores, esta inductancia es del orden de algunos milihenrios (mH). Si bien este valor bajo, por lo general, no es un problema a frecuencias de línea de CA, puede ser un problema a medida que la frecuencia de operación del suministro de potencia aumente y puede causar inestabilidad en el circuito e incluso fallas.
Los capacitores electrolíticos también tienen clasificaciones de tolerancia, como lo tienen todos los componentes; la tolerancia de ±20 % es común, aunque algunos se especifican a tolerancias más altas. Si bien esto puede parecer un margen de tolerancia grande, es aceptable en la aplicación.
Para respaldar el análisis de estabilidad y rendimiento del diseñador, la mayoría de los proveedores de capacitores proporcionan modelos que incluyen la ESR, la inductancia, la resistencia de dispersión y otros atributos no ideales (figura 4). Pueden mostrar esto en la frecuencia de línea y en frecuencias más altas; también a temperaturas diferentes.
Figura 4: un modelo de baja frecuencia simplificado de un capacitor electrolítico muestra el capacitor básico junto con la resistencia de dispersión, la resistencia en serie equivalente y la inductancia; para el uso de RF, el modelo añade varios elementos parásitos internos y una inductancia y capacitancia parásitas.
Degradación de los capacitores electrolíticos
Usualmente se espera que los capacitores electrolíticos funcionen de acuerdo con las especificaciones durante miles de horas, aunque se utilizan a menudo más allá de su vida útil máxima especificada con resultados aceptables. (Piense en el suministro de potencia a una computadora de escritorio que está en funcionamiento desde hace mucho tiempo y que está encendida la mayor parte del tiempo).
Además del funcionamiento obvio fuera de las clasificaciones establecidas, cada componente electrónico está sujeto a factores que afectan su confiabilidad y vida operativa; los capacitores electrolíticos no son diferentes.
El calor es el factor más común que reduce su vida útil: un capacitor clasificado para 10 000 horas a 25 °C necesita una gradación a medida que aumenta la temperatura y quizá solo se clasifique para unas 1000 horas a 85 °C e incluso menos a 105 °C. Dado que la mayoría de estos capacitores se utilizan con suministros de energía, que generalmente funcionan en caliente y tienen aumentos de temperatura localizados por encima del compartimiento general, estos dispositivos de almacenamiento a granel tendrán una vida útil más reducida. Los proveedores ofrecen capacitores clasificados para una vida útil larga a temperaturas más altas para superar este problema. (Tenga en cuenta que la temperatura de almacenamiento no operativa también es un problema que afecta su vida útil, pero ese es un escenario diferente y tiene una especificación diferente).
El segundo factor que acorta la vida útil de los capacitores electrolíticos es la corriente de ondulación que deben tolerar. Esta corriente es la fluctuación inevitable en la salida del regulador de voltaje que el capacitor debe suavizar. Por motivos electroquímicos complejos, la corriente de ondulación degrada la vida útil del capacitor y su electrolito; cuanto mayor sea la corriente de ondulación, más grande y rápida será la degradación. La sensibilidad a la corriente de ondulación es una función de la construcción y los materiales utilizados; los proveedores especifican la vida operativa con valores de corriente de ondulación diferentes.
Hay un factor no técnico que los diseñadores deben tener en cuenta también después de seleccionar el capacitor adecuado y el modelo de proveedor correspondiente. Es relativamente fácil que las piezas de calidad inferior, de repuesto o simplemente falsificadas ingresen en el flujo de producción y armado. Esto se debe a que es relativamente fácil crear un capacitor adecuado que funcione lo suficientemente bien, al menos un rato. Sin embargo, el producto en sí tendrá una vida útil reducida en el campo, pero para entonces será demasiado tarde y representará un problema importante.
Tenga en cuenta que es tentador también para el grupo de compra de la instalación de producción utilizar un capacitor "similar" y no el especificado en la lista de materiales del diseñador, pero con las mismas especificaciones de primer nivel: capacitancia, WVDC y tamaño. Sin embargo, puede tener especificaciones secundarias diferentes, pero importantes, como la tolerancia de corriente de ondulación y ESR; el cambio de la lista de materiales puede afectar el rendimiento o la confiabilidad del sistema. Es vital para los ingenieros trabajar con la cadena de suministro de producción para garantizar la integridad y capacidad de seguimiento del capacitor al proveedor especificado.
Los capacitores electrolíticos ubicados entre el regulador de suministro de potencia y la carga pueden parecer comunes y rutinarios. No obstante, son esenciales para proporcionar un conducto de CC estable para el circuito. Como resultado, los diseñadores necesitan especificarlos y seleccionarlos según sus parámetros primarios y secundarios, y la situación operativa, tendiendo en cuenta, a su vez, los problemas de cadena de suministro menos evidentes.