Lo que no te enseñan sobre los condensadores

En ingeniería, a menudo adoptamos cientos de atajos mentales para mantener la complejidad de los temas que abordamos en un nivel manejable.

Si tuviéramos que ejecutar una simulación de física cuántica cada vez que hacemos parpadear un LED, nunca terminaríamos nada. Sin embargo, muchos de estos atajos y reglas empíricas se crearon en tiempos pasados, cuando la industria electrónica era radicalmente diferente a lo que es ahora.

Hoy, vamos a desaprender lo que es un capacitor. Además, discutiremos cómo usar capacitores, teniendo en cuenta la electrónica contemporánea.

Lo que un capacitor no es (ya)

Una de las suposiciones comunes es que el papel principal de un capacitor es almacenar carga, como un cubo de agua que se llena con una taza y se vacía con otra al mismo tiempo.

Si alguna vez has entrado en una discusión sobre "si la corriente fluye a través de un capacitor" y terminaste hablando más de política que de física, sabes que las analogías típicas no tienen mucho sentido cuando se involucra corriente alterna. Un capacitor es simplemente dos conductores separados por un dieléctrico, y en ninguna explicación básica de física sobre sus propiedades encontrarás una explicación de qué deberías hacer con él.

Almacenar energía es solo uno de los muchos usos de un capacitor, como lo es filtrar, dar forma o alterar señales eléctricas e impedancias. Tendemos a pensar en estos como su uso principal porque fue su primer uso en el amanecer de la electricidad de corriente continua y el electroscopio de William Gilbert, inventado en el siglo XV.

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El Papel de un Capacitor

Términos como capacitor de desacoplamiento y capacitor de derivación a menudo se usan indistintamente — Yo mismo he cometido este error incontables veces.

Esto lleva a mucha confusión, ya que diferentes usos a menudo requieren capacitores con diferentes parámetros eléctricos y físicos, como el embalaje, calificaciones de voltaje, ESR (Resistencia en Serie Equivalente), ESL (Inductancia en Serie Equivalente) y perfil de auto-resonancia.

Los capacitores toman diferentes nombres no solo basados en las tecnologías en las que están construidos (cerámica, electrolítico), sino también en sus roles.

Las siguientes secciones contienen algunos de los roles más comunes asumidos por los capacitores.

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Capacitor de Derivación

El papel de un capacitor de derivación es transferir energía de RF (AC de alta frecuencia razonable) de una parte de tu placa a otra. Como acabas de leer, no hay ninguna mención sobre almacenamiento. ¡Ninguna! Un capacitor de derivación se trata todo sobre conducir, no almacenar.

Para que esto ocurra, el capacitor debe ser cuidadosamente seleccionado con la menor impedancia posible en las frecuencias de interés. Esto se puede lograr haciendo coincidir su frecuencia de resonancia propia con la señal de RF tanto como sea posible.

La frecuencia de resonancia propia es la frecuencia en la cual la capacitancia y la inductancia parásita del capacitor resuenan, y el capacitor presenta la menor impedancia posible. Matemáticamente, es como si la capacitancia y la inductancia desaparecieran, dejando solo la resistencia en serie equivalente.

Para frecuencias superiores a la frecuencia de resonancia propia, el capacitor comienza a comportarse menos y menos como un capacitor y más como un inductor.

Qué tener en cuenta

Uno de los errores más comunes al usar capacitores de desacople para mantener las emisiones electromagnéticas bajo control (especialmente al intentar desacoplar en los planos de tierra), es limitar su colocación solo en la fuente del ruido que queremos abordar.

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En corriente continua esto tendría sentido: cortocircuitar la señal lo más cerca posible de la fuente para obtener sus valores lo más bajos posible, minimizando la resistencia (impedancia) entre el cortocircuito eléctrico (el capacitor) y la fuente.

En AC, y especialmente en el dominio de RF, debido a la naturaleza ondulatoria de las señales eléctricas, el rápido aumento de la impedancia entre el área cercana a tu fuente de ruido y el resto del plano de masa puede ser una fuente de reflexiones. Esto también puede suceder en las pistas, ya que las impedancias más altas de las vías pueden reflejar la energía RF.

Esto es lo que son las reflexiones: energía reflejada debido a la impedancia desajustada. Nuevamente, esto entra en conflicto con la descripción tradicional de “energía reflejada debido a líneas no terminadas”, lo cual es solo parcialmente correcto.

Al usar capacitores de desacople, deberías intentar reducir la impedancia de los planos de alimentación y masa distribuyendo capacitores a lo largo de tus placas. Dependiendo de la frecuencia que quieras abordar, el apilamiento de capas y el material dieléctrico de la PCB, podrías considerar capacitores en el rango de picofaradios a nanofaradios.

Capacitor de Desacople

Los reguladores lineales como el ubicuo 7805 tienen un bucle de retroalimentación interno que compara el voltaje de salida con una referencia de voltaje y regula la corriente en consecuencia para mantener una salida estable.

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En teoría, los reguladores lineales podrían usarse sin un capacitor externo — al menos si ignoramos cualquier problema de auto-oscilación inducida. Para obtener una salida estable, la corriente demandada necesitaría cambiar a una tasa de variación lo suficientemente lenta para que el regulador lineal pudiera seguirla. Dado que la mayoría de ellos están construidos sobre la tecnología BJT de principios de los 80, esas tasas de variación no son rápidas en absoluto.

De manera similar, los convertidores DC-DC conmutados tienen una frecuencia de conmutación fundamental y no pueden regular la salida más rápido que esta frecuencia.

Muchos dispositivos digitales modernos generan transitorios de corriente con componentes de frecuencia de cientos de megahercios, mucho más de lo que cualquier regulador puede seguir (a menos que estemos hablando de controladores exóticos de diodos láser).

Los capacitores de desacoplamiento operan en el límite entre los voltajes estables regulados por el circuito de suministro de energía DC y el consumo de corriente intermitente de los dispositivos digitales modernos.

Incluso una pequeña impedancia entre la fuente de alimentación y el dispositivo, al enfrentarse a un pico de corriente, rápidamente llevará a un voltaje de suministro fuera de los rangos aceptables.

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Los capacitores de desacoplamiento actúan como almacenamiento de energía localizado temporalmente, reduciendo efectivamente la impedancia de fuente para valores entre unos pocos megahercios y unos cientos de megahercios.

Para frecuencias por encima de los cientos de MHz, la mayoría de los capacitores SMD presentan una alta impedancia y son ineficaces, en su lugar se deben utilizar técnicas como la capacitancia enterrada en el apilado de capas.

Qué tener en cuenta

Los capacitores de desacoplamiento solo son útiles en una banda de frecuencia relativamente estrecha, principalmente debido a las limitaciones introducidas por sus propiedades parásitas.

El principal parámetro a tener en cuenta es, una vez más, la frecuencia de auto-resonancia. Los capacitores de desacoplamiento son efectivos solo en frecuencias inferiores a su frecuencia de auto-resonante.

Las siguientes reglas generales son a menudo útiles para elegir qué capacitor usar:

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• DC a ~Khz: no se necesita capacitor, la fuente de alimentación puede mantenerse por sí misma.
• ~Khz a ~Mhz: los altos valores de los capacitores electrolíticos son beneficiosos para el rango de frecuencia más baja, pero su alta impedancia en serie limita su rendimiento al inducir una baja frecuencia de auto-resonancia. En el rango de Mhz, muchos capacitores electrolíticos ya son altamente inductivos.
• ~Mhz a 200Mhz: el capacitor cerámico, dependiendo del dieléctrico, tamaño del paquete y tecnología de construcción, generalmente cubre este rango.
• Por encima de 200Mhz: los capacitores cerámicos comienzan a ser ineficaces. En este escenario, lo mejor sería que utilizaras técnicas de capacitancia enterrada en su lugar.

Capacitor de Volumen

Los capacitores de gran tamaño se utilizan para mantener estable el voltaje durante los ciclos de falta de energía en la línea y soportar la demanda de corriente pico, y suelen ser electrolíticos debido a la alta capacidad necesaria para este rol.

Piénsalos como pequeños, adorables UPS (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) cilíndricos.

Lo que No te Enseñan Sobre los Capacitores Cerámicos

Los capacitores cerámicos son sin duda el componente pasivo por excelencia en la industria electrónica actual, y su capacitancia volumétrica ha estado mejorando a un ritmo comparable al de la densidad de transistores en silicio, posibilitando gran parte del diseño moderno de alta densidad.

En efecto, son una maravilla tecnológica, pero también tienen algunas peculiaridades que deberías conocer.

Menor es Mejor

La cerámica es un material maravilloso, pero también es frágil. Los capacitores cerámicos pueden agrietarse debido a la flexión de la placa de PCB, por ejemplo, durante el ensamblaje de tableros (o paneles) más grandes, rompiendo de manera inapropiada las placas con cortes en V, o si los productos se manejan de manera incorrecta durante el envío.

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La flexión y agrietamiento es un fenómeno peligroso: si el capacitor se usa en líneas de energía capaces de altas corrientes, a menudo puede fallar en corto y causar un incendio.

Contrario a la sabiduría popular, un capacitor más pequeño tiene un rendimiento eléctrico y mecánico superior. Son menos propensos a agrietarse y tienen una frecuencia de auto-resonancia más alta.

Si tu producto necesita alta fiabilidad bajo tensiones mecánicas, hay algunas técnicas que puedes usar para reducir este tipo de fallo.

• No coloques capacitores con el lado largo en la misma dirección en que se flexiona la placa.
• Usa capacitores más pequeños como los de 0402
• Usa capacitores con terminación suave que no se cortocircuiten bajo estrés, y/o capacitores cerámicos clasificados X2/Y2 que se cortocircuitan abiertos
• Desvía el trazado alrededor de tus capacitores para aliviar el estrés mecánico
• Suponiendo que has elegido capacitores que se rompen abiertos, siempre usa al menos dos de ellos en paralelo, para que tu circuito pueda tener suficiente capacitancia para seguir operando normalmente cuando uno de ellos se rompa

El Dieléctrico Cuenta, y Mucho

C0G, X7R… los dieléctricos tienen nombres extraños y un conjunto variado de propiedades. Aquí están sus características y cuándo destacan.

• C0G/NP0: Estos son los condensadores cerámicos más sofisticados del mercado. Típicamente, están disponibles desde 1pF hasta 100nF y tienen una tolerancia del 5%. NPO significa positivo-negativo-cero, la forma del gráfico del coeficiente del condensador, que se ve plano a lo largo del rango de temperatura. Son lo que deberías usar cuando se requieren valores precisos y estabilidad.
• X7R: El caballo de batalla moderno. Tienen excelentes coeficientes de voltaje y temperatura y son populares entre 100pF y 22uF. Son los más utilizados para aplicaciones de desacoplamiento y tienen un amplio rango de temperatura de -55°C a 125°C.
• X5R: Similar a X7R pero calificado para 85°C en lugar de 125°C.
• Y5V: Puede alcanzar un valor de capacitancia extremadamente alto pero con bajas calificaciones de voltaje y temperatura (hasta una pérdida del 82% de la capacitancia permitida).
• Z5U: De manera similar a Y5V, los condensadores Z5U muestran un pobre rendimiento de voltaje y temperatura y son extremadamente baratos. Calificados solo hasta -10°C. Usados solo en equipos de consumo de bajo costo para desacoplamiento.

Qué tener en cuenta

Combinar condensadores con diferentes dieléctricos puede llevar a resultados inesperados.

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Por ejemplo, los capacitores Z5U son muy asequibles y utilizan un dieléctrico de titanato de bario. Este material tiene una constante dieléctrica alta, lo que permite una excelente relación de capacitancia a volumen, y una frecuencia resonante propia comúnmente entre 1MHZ y 20 MHZ.

NPO funciona mejor en frecuencias superiores a 10Mhz, entonces, ¿por qué no combinarlos para obtener un rendimiento de amplia frecuencia?

Lamentablemente, cuando los capacitores Z5U y NP0 se conectan en paralelo, el material con la constante dieléctrica más alta amortigua la frecuencia resonante del NPO, y la combinación resulta en un rendimiento general peor que solo un Z5U de buena calidad.

El "por qué", sin embargo, definitivamente está más allá de mi nivel de pago. Si entiendes este fenómeno, por favor escríbeme una carta.

Absorción Dieléctrica

Si cortocircuitas la salida de un capacitor cargado, te encontrarás con un capacitor completamente descargado sentado en tu banco de trabajo y mirándote con ojos entristecidos. Sin embargo, este no es siempre el caso. Casi todos los capacitores, con la única excepción notable de los capacitores de vacío, retienen parte de su carga después de ser descargados.

El fenómeno ocurre porque los dipolos moleculares orientados al azar se alinean con el tiempo por el campo eléctrico, y su nueva orientación se retiene incluso en su ausencia.

Los capacitores cerámicos pueden retener hasta un 0.6% del voltaje cargado para NP0 y 2.5% para X7R.

Capacitancia Dependiente del Voltaje

Los capacitores Y5V pueden perder hasta un 82% de su capacitancia al voltaje nominal, mientras que los capacitores NP0 tienen una respuesta casi plana.
Si tienes aplicaciones donde debes variar el voltaje de salida, por ejemplo, a través de la fuente de voltaje configurable requerida por el estándar USB-PD que Mark Harris discutió en su artículo reciente, podrías encontrarte con un rendimiento del circuito aparentemente impredecible.

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