Guía sobre dieléctricos de condensadores cerámicos y otros tipos

Los capacitores forman una parte importante de la mayoría de los circuitos electrónicos. Pero, ¿qué hacen realmente y qué causa que funcionen de tal manera? Son dispositivos pasivos que almacenan energía potencial eléctrica como un voltaje entre dos conductores cargados que están separados por un dieléctrico aislante. El material dieléctrico aislante restringe la corriente continua y permite que la corriente alterna induzca una corriente de desplazamiento a través de las dos placas, mediada por la polarización en presencia de un voltaje aplicado. Estos componentes se encuentran en todo, desde redes de filtros analógicos hasta fuentes de alimentación y componentes digitales de alta velocidad.

¿Qué ayuda a los capacitores a lograr la función que se pretende que realicen? La fuerza del campo eléctrico en el dieléctrico del capacitor determina cómo surge la corriente de desplazamiento a través del dispositivo, por lo tanto, podemos categorizar los capacitores basándonos en su dieléctrico aislante. En este artículo, discutimos la categorización de los dieléctricos de los capacitores, incluyendo una sección dedicada a los dieléctricos de capacitores cerámicos.

Dielectricos Comunes de Capacitores

Existen varios tipos de dieléctricos para capacitores, cada uno disponible en una variedad de tamaños de paquete. Algunos materiales generalmente tienen una constante dieléctrica mucho más alta que otros, y se pueden considerar que tienen una mayor "densidad de capacitancia", lo que significa que proporcionan una mayor capacitancia en paquetes más pequeños. Los diseñadores que han mirado el interior de una fuente de alimentación probablemente han visto grandes paquetes de capacitores radiales que se colocan verticalmente en la placa; estos son capacitores electrolíticos, y requieren un empaquetado de este tamaño para proporcionar valores de capacitancia tan altos.

Otros dieléctricos de capacitores tienen otras ventajas además de proporcionar una alta densidad de capacitancia. Pueden tener una calificación de voltaje de ruptura muy alta, pueden ser muy útiles para AC ya que no requieren una polaridad específica, o pueden tener un coeficiente de temperatura muy bajo que los hace una mejor opción para aplicaciones de precisión. Esta es una razón por la cual las hojas de datos y las notas de aplicación recomendarán seleccionar capacitores basados en su material dieléctrico en lugar de basarse en un valor de capacitancia real. En esas aplicaciones, el valor del capacitor podría importar menos que las ventajas específicas del material dieléctrico del capacitor en sí. Ten esto en cuenta cuando veas recomendaciones de capacitores en hojas de datos o notas de aplicación.

Tipos de Dieléctricos para Capacitores

Cerámicos

La capacitancia de los dieléctricos de los capacitores cerámicos se ve afectada por la temperatura y el voltaje aplicado. También presentan valores más bajos de corriente de fuga de CC y menor resistencia en serie equivalente (ESR). Los capacitores cerámicos tienden a ser no polares y, por lo tanto, pueden tener cualquier orientación en un diseño de PCB; esta es una razón por la cual son preferidos en aplicaciones de CA de alta frecuencia y de potencia. Sin embargo, su baja ESR puede permitir transitorios fuertes en sistemas de potencia, algo que podría evitarse con un capacitor de ESR controlado.

Los capacitores cerámicos se fabrican recubriendo dos lados de un pequeño disco cerámico con una película metálica (como la plata) y luego apilándolos juntos en el empaque del capacitor. Un solo disco cerámico de unos 3-6 mm puede usarse para alcanzar una capacitancia muy baja. La constante dieléctrica (Dk) de los dieléctricos de los capacitores cerámicos es muy alta, por lo que se puede obtener una capacitancia relativamente alta en un empaque pequeño.

Los dieléctricos electrolíticos (es decir, tántalo, aluminio, etc.) o de óxido

Estos capacitores se utilizan en circuitos donde la capacitancia requerida es muy alta. Aquí se utiliza una solución electrolítica semi-líquida en forma de gel o pasta como reemplazo de una capa muy delgada de película metálica que sirve como cátodo. Son más estables en términos de capacitancia (por ejemplo, tolerancias más ajustadas y variación de temperatura), y son más estables a altos voltajes. Tienen ESRs más altos que los capacitores cerámicos y son no polarizados.

Plástico film

Estos dieléctricos de capacitor tienden a tener un valor de Dk más bajo y por lo tanto un tamaño mucho mayor, pero son muy útiles en circuitos de alta frecuencia. Los capacitores de película son el tipo de capacitor más comúnmente disponible, involucrando una familia relativamente grande de capacitores con diversas características dieléctricas. Por lo tanto, puede haber una amplia gama de especificaciones de material para estos capacitores.

Sustratos de PCB

Técnicamente, un PCB es un gran capacitor siempre que contiene capas planas adyacentes grandes. Las planas en un PCB pueden proporcionar alrededor de 50 pF/pulg. cuad. de capacitancia con muy bajo ESL, razón por la cual los capacitores planos a menudo son la forma más efectiva de capacitor que puedes usar para desacoplar transitorios inducidos por el paquete en la PDN de un PCB de alta velocidad.

Diélectricos de Capacitores Cerámicos y su Categorización Basada en la Resistencia

La clase de un capacitor cerámico depende de su fuerza dieléctrica, la cual determina el voltaje de ruptura en el dieléctrico del capacitor.

• Clase 1: Los capacitores cerámicos de clase 1 comúnmente están hechos de materiales óxidos con aditivos de Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co y Sr. Estos capacitores serían elegidos en aplicaciones que requieren un circuito de CA que sea relativamente insensible a los cambios de temperatura. Un ejemplo sería en circuitos resonantes como filtros o redes de adaptación donde un producto necesita tener alta precisión en condiciones de operación severas.
• Clase 2: Estos capacitores cerámicos están hechos de un material dieléctrico base de titanato de bario, el cual es sensible a la temperatura. Estos capacitores cerámicos tienen una alta densidad de capacitancia, es decir, puedes alcanzar una alta capacitancia en un pequeño volumen. En general, los capacitores cerámicos de clase 2 se utilizan para aplicaciones de suavizado, derivación, acoplamiento y desacoplamiento.
• Clase 3: Este grupo de dieléctricos de capacitores cerámicos proporciona una alta capacitancia comparada con los materiales cerámicos de Clase 2. Los capacitores de Clase 3 se consideran obsoletos y ya no están estandarizados por la IEC. Los modernos capacitores cerámicos multicapa de Clase 2 pueden ofrecer capacitancias más altas con mejor estabilidad y precisión más ajustada en un paquete más compacto.

Tenga en cuenta que las definiciones anteriores están estandarizadas en IEC/EN 60384-1 e IEC/EN 60384-8/9/21/22. La EIA tiene su propio conjunto de definiciones con cuatro clases de dieléctricos de condensadores cerámicos. Cada clase se denota con un número romano, así que tenga esto en cuenta si ve páginas de productos que definen un condensador como Clase 3 frente a Clase III; estas designaciones no son equivalentes.

Sistema de Codificación de Condensadores

Existe un sistema de codificación alfanumérico de tres caracteres utilizado para designar condensadores cerámicos, dependiendo de la clase de cerámica. Marcas de código adicionales en la carcasa de un condensador pueden indicar el voltaje de operación nominal, tolerancias y coeficiente de temperatura.

Como ejemplo, los condensadores cerámicos de clase 2 se categorizan por sus límites de temperatura de operación y la sensibilidad de la capacitancia a cambios de temperatura. El valor de sensibilidad se califica dentro de los límites de temperatura superior e inferior y no está garantizado fuera de estos límites. Note que estos códigos no son nombres dados a materiales dieléctricos de condensadores cerámicos. Los compuestos cerámicos podrían ser un nombre de producto patentado o un nombre de compuesto químico. En cambio, estos códigos se utilizan para emparejar un área de aplicación con un nivel de tolerancia requerido.
La tabla a continuación muestra los caracteres en el código de nomenclatura de 3 caracteres para los capacitores cerámicos Clase 2 (X5R, X7R, etc.).

Cómo Encontrar Capacitores Con Dieléctricos Específicos

Si estás buscando capacitores con un dieléctrico electrolítico, plástico o incluso de poliéster, puedes simplemente buscarlos en tus herramientas de biblioteca de partes de PCB. Un servicio como Octopart puede mostrar muchas opciones con dieléctricos específicos, tamaños de carcasa, estilos de montaje, etc. Hay algunos puntos principales a considerar al seleccionar dieléctricos:

• Capacitancia y coeficiente de temperatura: Ambos puntos deben considerarse juntos al realizar una búsqueda de componentes basada en dieléctricos.
• Tolerancias: Esto no es lo mismo que el coeficiente de temperatura; es la variación alrededor del valor de capacitancia nominal (al igual que en otros pasivos).
• Vida útil: Los dieléctricos de los capacitores tienen una limitación de vida útil, donde la capacitancia disminuirá lentamente con el tiempo y eventualmente cambiará más allá del límite definido por el nivel de tolerancia del dispositivo.
• Parásitos: ESL y ESR son importantes para aplicaciones de alta frecuencia, en algunas aplicaciones de potencia que involucran conmutación rápida, o integridad de potencia para sistemas digitales.
• Tamaño de la carcasa: Para capacitores de chip y electrolíticos radiales/axiales, las carcasas más grandes ofrecen mayores capacitancias. Estas pueden seguir una designación estándar, como los códigos de carcasa SMD para capacitores de chip. Las carcasas más pequeñas tendrán tamaños de pad más pequeños, y por lo tanto, menor ESL.

Para los capacitores cerámicos, entre estas especificaciones básicas, solo los puntos 1 y 2 están estandarizados basados en el código de nomenclatura de 3 caracteres. Si sabes que un código específico funcionará en tu aplicación, entonces puedes buscar por código. Otros tipos de capacitores no tienen el mismo tipo de sistema de nomenclatura estandarizado que los cerámicos, así que es posible que no encuentres los electrolíticos que necesitas si solo comienzas a buscar por letras de codificación.

Finalmente, para aplicaciones de potencia, el voltaje de ruptura es importante. Ten en cuenta que los dieléctricos de los capacitores se caracterizan en términos de su resistencia dieléctrica, que es la fuerza del campo eléctrico requerida para romper el dieléctrico. El voltaje de ruptura es específico del dispositivo y será la especificación importante al diseñar sistemas de potencia. ¡No olvides considerar esta especificación al diseñar para una fuente de alimentación, y asegúrate de verificar que la calificación se aplique a voltaje AC o DC; este es un error común que puede causar que tu sistema falle!

Ya sea que estés diseñando una fuente de alimentación o un dispositivo inalámbrico, necesitarás incluir capacitores y podrías necesitar seleccionarlos basándote en el dieléctrico del capacitor. Cuando hayas encontrado los capacitores que necesitas en tu diseño, utiliza las herramientas de diseño de PCB en CircuitMaker para preparar tus esquemáticos y el diseño de tu PCB. Todos los usuarios de CircuitMaker pueden crear esquemáticos, diseños de PCB y documentación de fabricación necesaria para llevar un diseño de la idea a la producción. Los usuarios también tienen acceso a un espacio de trabajo personal en la plataforma Altium 365™, donde pueden subir y almacenar datos de diseño en la nube, y visualizar fácilmente proyectos a través de un navegador web en una plataforma segura.

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