Monografia c Electroliticos Final 2

5/10/2018 Monografia c Electroliticos Final 2 - slidepdf.com

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Capacitor Electrolíticos, pg 1

Tecnología de los componentes.UTN, FRBB, Año 2006.

Capacitores electrolíticos de aluminio

INTEGRANTES:Antivero Mauro.Flores Diego.Galasso Christian.




Índice

Glosario 3Definición de capacidad 4

Modelo eléctrico del capacitor 5Tecnología de los capacitores electrolíticos 5Efecto del separador sobre la resistencia serie equivalente (seco) 8Relación entre el área del ánodo y la capacidad (seco) 8Polarización 8Estructura de ánodos 10Sobre la fabricación 10Electrolitos 11Especificaciones de voltaje 12Especificaciones de corriente 13Efectos de la temperatura 14Factor de disipación 16

Efecto de los períodos ociosos 17Características de radiofrecuencia (secos) 19Envejecimiento de capacitor electrolíticos 20Fallas en los capacitores electrolíticos 21

Medición y comprobación de capacitores electrolíticos 22




Glosario

AC Corriente alterna Al AluminioC CapacidadCos Factor de potenciaCt Capacidad totalDC Corriente continuaDF Factor disipaciónESL Inductancia serie equivalenteESR Resistencia serie equivalenteFP Factor de potenciaIL Corriente de pérdidaQ CargaRleak Resistencia paralela de pérdida

T TemperaturaTa Tantalio V Tensión Vac Tensión alterna Vbr Voltaje de ruptura Vdc Tensión continua VF Tensión de formación Vnl Tensión sin carga Vr Tensión de uso del capacitor Vs Tensión de sobrevoltaje




Capacitores Electrolíticos

Definición de capacidad

Básicamente, un capacitor, en su expresión más simple, está formado por dos placas metálicas

(conductoras de electricidad) enfrentadas y separadas entre sí por una mínima distancia, y undieléctrico, que se define como el material no conductor de la electricidad (aire, mica, papel, aceite,cerámica, etc.) que se encuentra entre dichas placas. La magnitud del valor de capacidad de uncapacitor es directamente proporcional al área de sus placas e inversamente proporcional a ladistancia que las separa. Es decir, cuanto mayor sea el área de las placas, mayor será el valor decapacidad, expresado en millonésimas de Faradios [µF], y cuanto mayor sea la distancia entre lasplacas, mayor será la aislación o tensión de trabajo del capacitor, expresadas en unidades deVoltios, aunque el valor de capacidad disminuye proporcionalmente cuanto más las placas seseparan.

En el sistema internacional de unidades la capacitancia se mide en faradios (F), siendo un faradio lacapacitancia de un conductor que al ser sometido a una diferencia de potencial de 1V, adquiere unacarga eléctrica de 1 Culombio.Se define también, como la razón entre la magnitud de la carga (Q) en cualquiera de los conductoresy la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos (V). Es entonces la medida de la capacidad de

almacenamiento de la carga eléctrica.

El voltaje es directamente proporcional a la carga almacenada, por lo que se da que la proporciónQ/V es constante para un capacitor dado.

• La capacitancia se mide en culombios/ voltio o también en faradios (F).• La capacitancia es siempre una magnitud positiva.

Donde:C = Capacidad en pico-faradiosK = CTE dieléctricaS = área de las placasD = distancia entre placas

Cuando se conectan dos elementos metálicos paralelos (placas) a un generador eléctrico, unnúmero de las cargas desplazadas por la diferencia de potencial quedará en los objetos metálicos,es decir, las placas de un condensador tienen la misma diferencia de potencial que entrega lafuente. Entre las dos placas metálicas se forma un campo eléctrico el cual permite el funcionamientodel capacitor. Un capacitor se carga de manera exponencial al tiempo y limitado por la capacitanciadel mismo y la carga que recibe, así también se descarga de manera exponencial entregando suenergía almacenada gradualmente.




Por último, tenemos que la capacitancia depende del dieléctrico, siendo que para el vacío, lacapacitancia es C 0 ; para un aislante dieléctrico K , la capacitancia está dada por C 0K .Si interrumpiéramos la diferencia de potencial entregada por la fuente, una pequeña cantidad deenergía eléctrica quedará almacenada en el proceso (en las placas) y se ira liberando poco a pocodependiendo del material del que están hechas las placas, las condiciones de aislamiento entreestas, etc.

El modelo eléctrico

Un equivalente eléctrico esquemático de un condensador electrolítico puede describirse como unaresistencia serie equivalente (ESR), la inductancia serie equivalente (ESL), el capacitor (C) y unaresistencia paralela de fuga (Rleak) que depende de la calidad del dieléctrico.

Si ESL es baja, Rleak es alta, la expresión se simplifica a:

Que es la reactancia capacitiva.

Tecnología de los capacitores electrolíticos

Dentro de la gran variedad de tecnologías de fabricación de capacitores, los electrolíticos son los demayor capacidad, debido a que se recurre a reducir la separación entre las placas, a aumentar el

área enfrentada de las mismas y a la utilización de un dieléctrico de elevada constante dieléctrica.Los capacitores electrolíticos deben su nombre a que el material dieléctrico que contienen es unácido llamado electrolito y que se aplica en estado líquido. La fabricación de un capacitor electrolíticocomienza enrollando dos láminas de aluminio separadas por un papel absorbente humedecido conácido electrolítico. Luego se hace circular una corriente eléctrica entre las placas para provocar unareacción química que producirá una capa de óxido sobre el aluminio, siendo este óxido de electrolitoel verdadero dieléctrico del capacitor.Cuando se usa Al el óxido es una combinación de óxido de Al cristalino y amorfo. El electrolitocontiene una solución de fosfato o borato. El cátodo utilizado en la formación es Cu o Ni.Un voltaje aplicado al sistema oxida el Al o Ta en su superficie para formar una capa de óxido que seadhiere al metal original. Esta película de óxido formada mediante una Vdc es altamente polarizada.

La dirección directa de la película es caracterizada por una alta resistencia de aislación, en cambioen la dirección inversa la resistencia es muy baja por lo cuál la corriente circulará con gran facilidad.Ahora, no es la corriente inversa la que daña el Capacitor en si, sino el calentamiento excesivo ocomo en los ánodos sinterizados de Ta húmedo, la migración de las moléculas de plata que éstapuede producir.




La corriente inversa pude originarse por:

1) Una Vdc inversa.2) Una Vac de baja frecuencia.3) Una Vac de alta frecuencia pero de magnitud considerable para causar la inversión de V.

Mientras mayor sea la frecuencia de la señal AC que produjo la inversión, mayor será el efecto decalentamiento. Para la aplicación apropiada de Capacitor electrolíticos es importante considerar: I, Vy la frecuencia del ripple. El calentamiento del Capacitor lo producen las V inversas por un lado y la Ide ripple por otro. El grosor de la capa de óxido depende del voltaje al cuál la misma fue formada. Enel caso del Al el voltaje de formación puede ser tan alto como 754 Vdc. Otros factores de laformación de la película de óxido son: la temperatura, el tiempo y el tipo de formación utilizado. Elgrosor del óxido se produce en rangos de entre 11 a 15 Amstrong / V (grosor / voltaje aplicado).Cuando el metal de origen es el Ta, los voltajes de formación rara vez superan los 500Vdc. El grosordel óxido está comprendido en rangos de entre 16 a 20 Amstrong / V.La cte. dieléctrica efectiva del óxido de Al puro es 8,4 y para el Ta es 28. En los capacitores degrado comercial la cte. del óxido de Al puede ser levemente menor y la del Ta apreciablemente

menor debido a las impurezas del óxido.Óxido y electrolitos de alta pureza son utilizados en capacitores de larga vida o alta performance.Como el grosor de la película se incrementa linealmente con el voltaje la capacidad por unidad deárea de electrodo decrece inversamente según:

Con A en pulgadas cuadradas y d en pulgadas.

Finalmente para que pueda ser conectado en un circuito electrónico, el capacitor llevará susterminales de conexión remachados o soldados con soldadura de punto. Por último, todo el conjuntose insertará en una carcaza metálica que le dará rigidez mecánica y se sellará herméticamente, en

general, con un tapón de goma, que evitará que el ácido se evapore en forma precoz.

A es el ánodo de Al o TaB es la película de óxidoC es el electrolito

Un término muy común en la jerga de los fabricantes de capacitor electrolíticos es el deprotocapacitor, con el cual se denomina a los capacitores fabricados y ensamblados que aun no seles ha hecho circular una corriente para que se forme la capa de óxido de electrolito.Cabe aclarar, que si bien existen capacitores con dieléctrico de papel, en el caso de los electrolíticosel papel entre placas cumple la función de sostener al ácido uniformemente en toda la superficie delas mismas.

El condensador electrolítico seco, es así señalado porque el electrolito empleado es de unanaturaleza no acuosa y es por lo tanto seco, en el sentido de tener un contenido en agua muy bajo.Los electrólitos empleados en las estructuras electrolíticas secas del condensador son más o menosde conductividad baja. Esto hace necesario ciertos cambios en la estructura física básica. En elcondensador electrolítico húmedo, el envase hace fácilmente contacto eléctrico con el electrolito




acuoso pero con el uso de los electrólitos no acuosos este tipo de construcción no funcionará de unamanera satisfactoria.Esto es obviamente debido a la conductividad baja del electrolito no acuoso que, alternadamente, dalugar a un aumento demasiado grande en la resistencia equivalente en serie con el condensador.Para superar tal dificultad, es necesario realizar el primer cambio básico en la estructura física queexiste entre los tipos húmedos y secos de capacitor electrolíticos.Este cambio en la estructura consiste en proporcionar una placa u hoja que sirva para hacer que sereduzca la trayectoria resistente del contacto eléctrico con el electrolito a un valor mínimo. Una vistaseccionada transversalmente y agrandada de tal arreglo se demuestra en la ilustración siguiente:

Vemos que en cada lado de la placa del ánodo están unas placas metálicas paralelas a ella y queentre estas placas metálicas y la placa del ánodo se satura con el electrolito no acuoso.Se suele utilizar ciertos materiales absorbentes para proporcionar el espacio necesario para el

electrolito. Este material absorbente está normalmente bajo la forma de hojas finas o capas que sellaman separadores, los mismos se saturan con los electrólitos empleados.Los capacitores electrolíticos secos son construidos apilando, una capa encima de la otra: el ánodo,el separador saturado de electrolito, cátodo, otro separador, otro ánodo y así sucesivamente. Esteprocedimiento es empleado siempre debido a razones económicas y otros factores igualmenteimportantes. La forma básica de construcción, consiste en enrollar dos separadores, el de la placadel ánodo y el de la placa del cátodo en un rodillo concéntrico.Esta forma básica de construcción se demuestra en las ilustraciones siguientes:

Puede observarse que las placas del ánodo y del cátodo son de la misma anchura y que losseparadores son más anchos que las placas del ánodo y del cátodo. Puede también observarse quela placa del cátodo se coloca en el exterior para cercar totalmente la bobina. Esto se haceobviamente para proporcionar la cobertura completa de ambos lados de la placa del ánodo y de su

película dieléctrica. Puede verse también los medios que se han proporcionado para hacerconexiones eléctricas externas a las placas del ánodo y del cátodo bajo la forma de proyección delas mismas. Estas proyecciones se llaman, lengüeta del ánodo y del cátodo, respectivamente.Los bosquejos siguientes sirven para demostrar algunos de los métodos mas comunes deplegamiento de placas del ánodo o del cátodo para formar estas lengüetas:




Hemos visto hasta ahora que el condensador electrolítico seco consiste básicamente en cuatro

elementos:1. La placa del ánodo2. La placa del cátodo3. Los separadores4. El electrolito

Efecto del separador en la resistencia equivalente serie (secos)

El grosor y el tipo de material del separador empleado también determinarán, en un gradoconsiderable, la resistencia equivalente serie del condensador. Un aumento del grosor del separador

alarga obviamente la trayectoria resistente entre las superficies de las placas y una reducción en lapenetrabilidad del material del separador, para un electrolito particular, aumenta la trayectoriaresistente total.

Relación entre el área del ánodo y la capacidad (secos)

La relación entre el área superficial del ánodo y la capacidad, que existe en estructuras electrolíticasde condensadores húmedos, no es cierta para los condensadores electrolíticos secos.Para una capacidad y voltaje dado, el condensador electrolítico seco requiere generalmente un áreaanódica un 15% mayor que la requerida para un condensador electrolítico húmedo. Esto es una

diferencia inherente a las dos estructuras.Para la determinación del área del ánodo requerido, para una capacidad dada en un voltaje dado deformación, se aplica la siguiente fórmula que es bastante exacta:

A=0,015 EC

Donde:A = área de un lado del ánodo en pulgadas cuadradasE = potencial de formación en voltiosC = capacidad en microfaradios.

Polarización de los capacitores

Los Capacitor de Al y Ta se producen polarizados, semipolarizados, y no polarizados.




Polarizados:Son la configuración más común. Posee una película de óxido sobre una sola

placa o electrodo, llamado ánodo o terminal positivo. Si un capacitor así formado se utiliza en uncircuito con una polarización DC grande (directa) y bajo ripple, una película se formará tambiénsobre la otra superficie del cátodo, durante la pendiente negativa del ripple; trayendo con sigo unareducción de la capacidad. Como el electrolito es conductor lo que me quedan son dos capacitoresen serie con la consecuente reducción de la capacidad original del Capacitor

!

!

El voltaje inverso aplicado a un Capacitor polarizado puede causar tanto la destrucción deldieléctrico con la oxidación de la placa del cátodo, con la posterior reducción de la capacidad;dependiendo todo esto del tiempo durante el cual se aplicó el voltaje inverso.La diferencia en la transmisibilidad actual a través del sistema: -ánodo aluminio-la película de óxidode aluminio-el electrolito-en las dos direcciones (exhibiendo la "polaridad" definida así) puedeexplicarse como sigue:Como la película del óxido es muy delgada, siendo del orden de 100 n mts; si una diferenciapotencial de 100 voltios es aplicada entre el aluminio y el electrolito, la fuerza del campo en eldieléctrico será aproximadamente 10M voltios por centímetro. Con tan altas intensidades de campo,la emisión fría de electrones tiene lugar siempre. Es decir, el electrodo negativo emite los electrones.

Se encuentra entonces que la corriente puedo representarla por la sig. ecuación:

I = A2 E e B

E

Donde A y B son constantes de los materiales y E la intensidad de campo eléctrico.

La placa que emita electrones con mayor facilidad constituye el electrodo negativo. Los metalesemiten los electrones fácilmente en cambio los semiconductores y electrólitos los emiten con mayordificultad. Los electrones en el electrolito no son de hecho libres pero están limitados en los iones,así que si el campo eléctrico es fuerte puede liberar algunos de los electrones de los iones y

transferirlos a la capa de aislamiento.Semipolarizados:

Su construcción es similar a los polarizados, con la salvedad de que también seforma una fina película de óxido en el cátodo para minimizar el efecto de la tensión inversa. Estoscapacitores se usan donde algún potencial DC menor que el de trabajo pueda aplicarse en inversapor períodos de tiempo extendidos (no siempre y no continuos).

No polarizados:Tienen capas de óxido de igual espesor en ambas placas. Son para uso en

circuitos DC, donde el rango completo de voltaje de operación puede aplicarse en ambasdirecciones por largos períodos de tiempo o donde se aplican Vac por períodos mayores de tiempo,limitados por el calentamiento del Capacitor debido al cos alto y a la I de pérdida. El valor AC detrabajo siempre es menor que el valor DC con la excepción de ciertos tipo de Capacitor de tantalio.Los capacitores no polarizados para AC se diseñan para minimizar cos ; mientras que los que




son para DC se diseñan para minimizar las I de pérdida.

Las Estructuras del ánodo

Las estructuras del ánodo usadas en los capacitores electrolíticos húmedos toman varias formas: eltipo enrollado, el tipo acordeón plegado, el tipo plegado redondo, el tipo helicoidal y el tipo radial. Loscuales se muestran en las siguientes ilustraciones.

La tipo enrollados y tipo acordeón plegado son los ánodos de uso más corriente. Ambos tipos sefabrican de lámina de aluminio que varía en el espesor de 0,025mm para el tipo enrollado a 0,12mmpara el tipo acordeón plegado. Estructuras de ensamblado de ánodo usadas típicamente en elcapacitor electrolíticos húmedos:

Las distintas configuraciones buscan siempre brindar la menor R serie, y mayor superficie de placacon el menor volumen.

Sobre la fabricación

Los capacitores electrolíticos se fabrican, en dos estilos básicos. Los de ánodo sinterizado conelectrolito seco o húmedo se usan solo para Ta. Los tipo enrollados, que incluye a los de Al,emplean electrolito seco, húmedo o en pasta. El arrollamiento puede ser tanto plano comoacanalado, dependiendo de las características de temperatura y confiabilidad buscadas. Los tipos dearrollamiento plano tienen una mejor característica capacitor/T pero poseen menor eficienciavolumétrica. Los capacitor de Ta de cuerpo húmedo o arrollamiento húmedo (wet-slug, wet-foil), y los




electrolíticos de Al se fabrican en gral. con un mayor radio capacitor/vol. Y se caracterizan por unabaja ESR. La mayoría de los tipos de capacitor no pueden cerrarse fácilmente en forma hermética yse proveen con un sello especial (que proveerá de una válvula de venteo), elastómeros o una zonade ruptura de cápsula, para aliviar la presión excesiva debido al calentamiento del capacitor durantealtos períodos de corriente inversa. Los capacitores electrolíticos secos y sólidos, que poseen unaESR ligeramente mayo pueden cerrarse herméticamente y se usan en equipo militar donde no setolera la perdida de electrolito y se requiere una duración mayor.

Selección de electrolito:

El electrolito en capacitores simples puede seleccionarse para la VR y T a las cuales el capacitortrabajará.Los capacitores de alto voltaje poseen un electrolito de mayor resistencia para prevenir rupturas porV. Los capacitores que operaran a altas temperaturas, utilizan electrolito no acuoso, ya que loselectrolitos acuosos se secarán gradualmente y provocaran una caída en la Cn, una mayor ESR, yfalla de dieléctrico.Limitaciones estructurales:En la práctica es verdad, aunque desafortunado, que el diseño de capacitores electrolíticos es encierto grado una serie de compromisos. Los electrólitos de corriente baja de salida, de conductividadbaja o del alta resistencia específica, debida a la carencia o al número reducido de iones tienen ladesventaja que aumentan la resistencia en serie con el condensador. Recordemos el modeloeléctrico del capacitor, que por comodidad repetimos aquí:

Es necesario por lo tanto un compromiso que consiste en fijar la resistencia equivalente permitidaESR de la serie y tolerar un valor correspondiente de la corriente de la salida. Afortunadamente,valores bajos de corriente de salida se pueden obtener con valores comparativamente bajos deESR. Otro compromiso se debe al voltaje de ruptura de los capacitores electrolíticos. Se haobservado que este voltaje Vbr (voltaje de ruptura) es determinado por la resistencia específica r, delelectrolito, y para un grueso específico de revestimiento de óxido; esta relación puede ser expresadocomo sigue:

V =alog r b

Donde a y b son ctes.

El aumento de V con r puede ser explicado como sigue: cuanto mayor es la concentración de ionesen el electrolito, será mayor el número de los electrones emitidos por el electrolito y por lo tantomayor es el número de los electrones que emigran al dieléctrico, con lo que la ruptura de la películade óxido ocurrirá más fácilmente. En teoría por lo menos, los capacitores electrolíticos se puedendiseñar para tener un Vbr muy alto simplemente haciendo la resistencia específica r, del electrolito,suficientemente grande. Esto da lugar otra vez a un gran aumento en la resistencia equivalente ESR

en serie; nuevamente debemos llegar a un compromiso.




Especificaciones de voltaje

Veremos ahora las tensiones típicas de los capacitores: V : Tensión de sobrevoltaje o V surge. Es la máxima tensión que se puede aplicar al capacitorbajo cualquier condición y no debe ser continuo (t < 30s), esto incluye transitorios, picos de ripple, ala máxima tensión de línea.

Un esquema de medición sería:

El amperímetro debe marcar aproximadamente el doble de IL a tensión de trabajo (VR o Vn). Voltajeexcesivo o una combinación de exceso de V y T pueden causar una ruptura en la película de óxido.Sin embargo bajo ciertas condiciones, con potencial aplicado al capacitor, el electrolito formará unanueva película de óxido en los electrodos, siendo éste un efecto de auto reparación. No debedependerse de éste efecto, al ser en la mayoría de los casos perjudicial, al crear fallas intermitentesdifíciles de localizar.V

NL: Tensión sin carga.

V R : Tensión de trabajo

V F : Tensión de formación del capacitor.

Relaciones de tensión de los capacitores electrolíticos:

Degradación de la capacidad debido a baja tensión:

Los capacitores de Al operando en circuitos muy por debajo de la V especificada presentan unadegradación gradual de la capacidad debido a la deformación de la película de óxido. Los




capacitores de Ta tienen una película mas estable lo que resulta en una mayor vida de almacenaje ymenor deterioro en bajo voltaje. Esto ocurre porque cuando se utiliza a un capacitor con tensionesmucho menores a su tensión nominal de trabajo; al estar prácticamente sin polarización de corrientecontinua, la capa de óxido se irá haciendo cada vez más angosta, hasta provocar la falla del circuitoelectrónico en donde trabaja.

Especificaciones de corriente I de fuga:

También está claro que la corriente de fuga será menor cuanto menor sea el número de ionespresentes en el electrolito, en otros términos, cuanto menos conductor sea.La corriente de fuga se genera porque el electrolito también puede emitir algunos electrones de losiones, bajo la influencia de los campos eléctricos fuertes, tales electrones emigran a través de lapelícula del óxido al electrodo de aluminio. Esta corriente de fuga es determinada por:

1) La fuerza del campo.2) El espesor de la película del óxido.3) La conductibilidad del electrolito.

Si capacitores hechos de los mismos materiales y que tienen la misma diferencia de potencialaplicada, tienen la misma I de fuga, puede concluirse que las películas de óxido son del mismoespesor. La intensidad del campo es entonces igual a:

"#

Donde

E = la fuerza del campoV = el voltaje aplicadoesp. = el espesor del óxido

Los capacitores electrolíticos poseen apreciables I de pérdida,”IL”, función del material del óxido, supureza, su espesor, resistividad del electrolito, VR, área del arrollamiento y Temperatura ambiente.Una fórmula aproximada de cálculo sería:

$

%

Donde:

C: capacidad en

VR: tensión nominal.

O 5 mA, la que sea menor, a 20ºC, medida luego de 5 min de aplicada la tensión VR.

Ejemplo: capacitor= 2200 uF, 25V:

$ % & '% que es menor que 5mA.

A mayor T, mayor IL, lo que resulta en una reducción de la Vbr. IL produce un ciclo regenerativo con

la T, al ser un incremento en IL causa de mayor sobre elevación de T, pudiéndose generar unescape térmico y la posible destrucción del capacitor. En algunos tipos de electrolitos húmedospuede existir un factor de compensación con el tiempo, por desecación del electrolito lo queincrementa la ESR y aumenta el FP. Esto puede ser una nueva fuente de escape térmico si existenVac aplicadas cercanas en magnitud a VR.La variación de la I de pérdida con la T puede apreciarse en la siguiente figura:




Curvas comparativas de variación de la corriente de pérdida Vs temperaturaMáximos rangos de I:

Además de la especificación de la Ir los capacitores electrolíticos poseen una I máx. de carga ydescarga. Esto se debe a que una I excesiva puede quemar las conexiones de metal internas ocausar sobrecalentamiento excesivo o posible ruptura. En gral. esta I debe tenerse en cuentacuando excede el Amper. Los capacitor no polarizados para uso en arranque capacitivo de motorestrabajan en estas condiciones, y se diseñan para 20 encendidos/hora con una duración máx. de 3 s,o 60 encendidos/hora de 1s. Para aumentar la durabilidad se recomienda que la T de cápsula noexceda los 60ºC.

Efectos de la temperatura

Los aumentos extremos en temperatura pueden dar lugar a una pérdida de humedad del electrolito(por la evaporación) con una disminución permanente de la capacidad y un aumento de la ESR. Unavida eficaz acortada sería el resultado final.Las disminuciones extremas de la temperatura pueden dar lugar a una reducción en capacidadeficaz a un valor de casi cero y a un aumento casi infinito de la ESR. Esto, sin embargo, no causaninguna lesión permanente a la estructura del condensador y las características normales seránobtenidas otra vez cuando la temperatura se trae de nuevo a valores normales.Un aumento en temperatura también causa un aumento en la posibilidad de corrosión que ocurre enla estructura del condensador si, por supuesto, hay algunas sustancias corrosivas presentes.Un aumento en temperatura puede también hacer el electrolito llegar a ser suficientemente líquidocomo para escaparse condensador. Esto puede, ocasionalmente, ser altamente desagradable.

Característica cambio porcentual de la capacidad Vs temperatura




Característica capacidad Vs temperatura

Característica cambio porcentual de la capacidad Vs temperatura

Efecto de la temperatura en la corriente de salida (secos):

Como se ha mencionado previamente, la corriente de salida es determinada sobre todo por la fuerzadel campo, el grosor de la película del ánodo y la conductividad del electrolito.Pues la fuerza del campo es una función del espesor del film, del voltaje aplicado y del ánodo. La

corriente de la salida se puede considerar como función del voltaje aplicado, del espesor del film delánodo y la conductividad del electrolito.Se ha demostrado que las variaciones en la temperatura del electrolito, causa variaciones en suconductividad. Las variaciones de la temperatura ambiente causan por lo tanto cambios en lacorriente de la salida de un condensador electrolítico seco.La variación de la I eficaz de salida con una variación definida en temperatura ambiente dependetambién de la conductividad del electrolito, uno de alta resistencia demuestra un índice de cambio deI de salida con variaciones de la temperatura distinto, que uno de resistencia mas baja.Igualmente el cambio en la I de salida no es tan grande, sobre una gama comparativamente ampliade variación de la temperatura, como se habría previsto. La razón de esto es que el uso de laresistencia más baja o de los electrólitos más conductores está confinado a las estructuras de

tensión inferior del condensador mientras que los capacitor previstos para la operación en losvoltajes más altos se limitan al uso de los electrolitos de altas resistencias o de conductividadesbajas. Así, el efecto de la alta conductividad del electrolito es compensado en un caso por fuerzabaja del campo y en el otro caso una alta fuerza del campo es compensada por una conductividadbaja del electrolito. Este equilibrio afortunado de un sistema de factores contra otro no se encuentra




en el efecto del cambio de temperatura en otras características.

Efecto de la temperatura en capacidad (seco):

Se duda que los cambios en la temperatura del electrolito provoquen cambios en la capacidad de uncondensador electrolítico, no hay una teoría concisa que explique dicho fenómeno. Sin embargo, hayun cambio de capacidad cuando cambia la temperatura del electrolito. Si el cambio en la capacidades debido enteramente a un cambio en la conductividad del electrolito o hasta cierto punto a uncambio real en la constante dieléctrica del revestimiento de óxido, no se sabe definitivamente.Se sabe, por otra parte, que cuanto más conductor es el electrolito empleado en un condensadorelectrolítico seco, menor es el cambio de la capacidad, en una gama dada, de variación de latemperatura. Es de notar que los capacitores de tensión inferior tienen mejores características detemperatura que los capacitores de alto voltaje. Es desafortunado que esto sea verdad porque talcaracterística puede limitar con frecuencia la utilidad de las estructuras de condensador de mas altovoltaje. Los efectos del tiempo y de la temperatura sobre las características antedichas sonsimilares.

Efecto de la temperatura en voltaje de ruptura (seco):

Sabemos que el Vbr es función del espesor del film del ánodo y de la conductividad del electrolito; yla conductividad del electrolito varía con la temperatura, por lo que Vbr es también una función de latemperatura. Los aumentos de temperatura aumentan la ionización del electrolito con un aumentoresultante en la emisión electrónica del electrolito. Esto baja el potencial requerido para romper opara pinchar el dieléctrico. Así, un aumento en temperatura da lugar a bajar el Vbr y una disminuciónde la temperatura causa un aumento del Vbr para cualquier estructura electrolítica seca decondensadores.Además todo aumento de la temperatura lleva aparejado una reducción de la ESR y viceversa, porlo antedicho. El grado de variación en conductividad con el cambio en temperatura es una función dela concentración del Ion del electrolito. Es decir cuanto más conductor un electrolito es, máspequeño es el cambio en conductividad con la variación en temperatura.Un factor que contribuye principalmente a la variación de la ESR de los capacitores electrolíticossecos es la resistencia específica del electrolito empleado. Puede notarse que los cambios devalores de ESR son proporcionales a las variaciones de temperatura.Como los electrolitos más conductores son limitados, en el uso real, a los condensadores de menortensión es evidente que dicho tipo de capacitor tiene mejores características de temperatura que loscapacitores de alta tensión.Un resumen de los efectos colectivos de la variación de la temperatura en las características decapacitor electrolíticos secos puede ser contorneado como sigue:Un aumento en temperatura causa un aumento de menor importancia en la capacidad eficaz perouna disminución grande de la ESR.Una disminución de la temperatura causa una disminución relativamente grande de la capacidadeficaz pero un aumento mayor en la ESR.Un aumento de la temperatura causa un aumento de la corriente directa y una disminución de latemperatura causa una disminución extrema de la corriente directa.

Factor de disipación

Factor de disipación (DF), es importante en para aplicaciones en AC. El DF se expresageneralmente en % o en cociente a la unidad (el 1% = .01). El DF es igual a:

DF =ESR

Xc

Realmente, ésta es una aproximación que no hace caso del XL, pero es generalmente bastante




exacta. Como la mayoría de las características de los condensadores, cambia con el tiempo,frecuencia, y temperatura. El DF es el resultado de tres factores de pérdida. Pérdidas del metal (laresistencia de los plomos, terminaciones del final, y la hoja o la película de metal), la resistencia delaislamiento (sobre todo muy pequeña), y las pérdidas dieléctricas. Para los condensadores depelícula, los tipos de película-hoja tendrán un factor más bajo de disipación que los de películametalizada, especialmente en alta frecuencia, porque las pérdidas del metal serán más bajas.

Efecto de los períodos ociosos en el estante

Húmedo:

Es una característica de los capacitores electrolíticos húmedos que la película anódica se debilite ollegue a ser menos eficaz durante períodos de ocio sostenidos. No se entiende claramente porqué,pero se piensa que posiblemente el electrolito hidrata los límites externos del revestimiento de óxidoa un cierto grado en que se reduce temporalmente el grueso eficaz del dieléctrico. Una indicación de

que esto es verdad es el hecho de que las películas anódicas, formadas inicialmente con una capaexterna apreciable de hidrato de aluminio, demuestran características muy pobres después de unperiodo de ocio en el estante.Otros factores que tienen un efecto perjudicial que acompaña la degradación en el período de ocioen el estante son: pureza del aluminio usado en la estructura entera del ánodo, cantidad de




impurezas incluidas en el material del ánodo, separador, buje del respiradero y del vástago y lacantidad de impurezas contenidas en el electrolito.En el montaje del ánodo las superficies deben estar inicialmente limpias y libres de contaminaciónporque si cualquier sustancia se incluye en el aluminio, ella puede disolverse más adelante paracontaminar el electrolito. Esto particularmente se aplica al tipo de estructuras anódicas con grabadofuerte al agua.Por las mismas razones es imprescindible que los separadores de caucho duro, los bujes delvástago, los respiraderos y otras partes de la estructura del condensador, (que entraran en contactocon el electrolito) no sólo estén limpias en superficies expuestas si no que además no se incluya enninguno de estos materiales debajo de las superficies, contaminación que pueda disolverse másadelante en el electrolito.Si el electrolito se mantiene en el grado requerido de limpieza y pureza química la película del ánodose formará correctamente y el condensador tomará un valor bajo de corriente de salida en unperíodo de tiempo relativamente corto.También se ha observado que la acidez o la alcalinidad relativa del electrolito del terraplén tienendirecta relación con la deterioración de la película anódica. Un aumento en la tasa de deterioraciónocurre con un aumento en el valor de pH del electrolito. El aumento en el índice de deterioración, sinembargo, no presenta ninguna dificultad seria a menos que el valor de pH sea superior a 7. El hechode que el índice de deterioración aumenta con el aumento en el valor del pH del electrolito pareceser consecuencia de un proceso de hidración que reduce eficacia de la película del ánodo.Ilustrativo de la variación en el valor de pH del electrolito con la concentración del amoníaco es elgráfico siguiente que se basa en un grado de ácido bórico de 5 gramos de ácido bórico a 100 cc deagua y de una temperatura de 25° centígrado.

Puesto que todos los capacitores electrolíticos húmedos están expuestos a un cierto debilitamiento odeterioración de la película anódica durante períodos ociosos en estante, es importante que el índicede tal deterioración esté mantenido tan bajo como sea posible. La importancia de esto es reconocidafácilmente por los ingenieros de radio, porque los altos valores iniciales que resultan de la corrientede salida causados por un alto índice de deterioración de la película pueden dar lugar posiblementea daños en el rectificador, en los transformadores o aún a la destrucción del condensador mismo.Se ha observado que el índice aproximado de deterioración de la película o de la “vida útil” de uncondensador electrolítico mojado se puede comprobar por una prueba acelerada comparativamentecorta. Tal prueba es posible por el hecho observado que, en vida útil ociosa, el índice dedeterioración de la película aumenta con aumentos de la temperatura ambiente. Así, una pruebaacelerada de las características de la vida útil puede ser obtenida fácilmente sujetando elcondensador a una cierta temperatura, debajo del punto de hervor del electrolito, por un período detiempo definido. Las pruebas han demostrado, por ejemplo, que sometiendo un condensadorelectrolítico húmedo a una temperatura de 85°C por una hora, se producen los efectos equivalentesa un mes de vida útil ociosa a temperatura ambiente normal.Los efectos de esta prueba son múltiples porque además de un aumento en el índice dedeterioración de la película, se obtienen las cantidades de impurezas incluidas en varias partes de laestructura del condensador.El gráfico siguiente sirve para ilustrar las características de salida en la “recuperación” de uncapacitor que tuvo un período ocioso de 6 meses en el estante.




La curva A muestra las características de IL en la recuperación de un condensador con un altoíndice de deterioración anódica.La curva B muestra IL menores en la recuperación de un condensador.La curva C muestra las características de salida en la recuperación de un condensador húmedodiseñado y fabricado de forma satisfactoria.Las curvas A y B representan características pobres de recuperación porque la curva A representaun condensador que usa un electrolito con un valor de pH de 7.1 y la curva B representa uncondensador con la película anódica formada incorrectamente inicialmente.

secos:

Cuando los capacitores electrolíticos secos han sido expuestos a largos períodos ociosos sufrenuna reducción en la eficacia de la película dieléctrica, con lo que la IL aumenta. Este efecto, sinembargo, no es tan marcado como en el caso con las estructuras electrolíticas húmedas.Los altos valores de IL se reducen hasta valores normales, a medida que se le aplica al capacitor elvoltaje de trabajo (como puede verse el proceso de degradación es reversible). El tiempo requeridopara lograr esta reducción de la IL se llama tiempo de recuperación de salida. El tiempo derecuperación de salida es determinado en un grado considerable, por los factores tales como elgrado de voltaje, la conductividad del electrolito y la pureza de la hoja del ánodo.

Características en radiofrecuencias (secos)

Como regla general, los capacitores electrolíticos secos poseen características muy pobres de

radiofrecuencia con respecto a otros tipos de capacitor. Por ejemplo: un condensador electrolíticoseco de 10 microfaradios de capacidad puede demostrar una capacidad eficaz tan baja como 0.5microfaradios en frecuencias de 500 kilociclos a 10 megaciclos.Es interesante observar sin embargo, que la relación física de la hojas del ánodo, del cátodo y suslengüetas de conexión, influencian las características de radiofrecuencia de los capacitoreselectrolíticos secos más que factores tales como conductividad del electrolito, como podríaesperarse normalmente.Solamente un porcentaje pequeño de las superficies del ánodo y del cátodo, inmediatamenteadyacente a las conexiones de la lengüeta, son realmente eficaz en radiofrecuencias. La razón deesto parecería ser que la reactancia inductiva de las hojas de ellos mismos (ESL), enradiofrecuencias, tiende cancelar una porción grande de la reactancia capacitiva.

También se duda que el electrolito sea un medio conductor en radiofrecuencias ya que laconducción en el electrolito es sobre todo por la ionización y es muy difícil aceptar que los iones delelectrolito puedan moverse a las velocidades que corresponden a las frecuencias de por ejemplo,500 kilociclos a 10 o 20 megaciclos.Por lo tanto parecería más lógico considerar que los electrólitos están aislando medios en las




radiofrecuencias. Bajo tal suposición, la capacidad de un condensador electrolítico seco, en lasradiofrecuencias, sería puramente electrostática, con el electrolito y la película anódicaconstituyendo el medio dieléctrico eficaz.En la realidad se ha observado que el empleo de hojas más anchas disminuye la impedancia de unaestructura dada de condensador y más interesante sigue siendo el hecho de que una estructuradada de condensador exhibe muy pequeño cambio en impedancia sobre un rango amplio defrecuencias, cambiando generalmente menos de diez por ciento a partir de 500 kilociclos a 20megaciclos.

Envejecimiento de capacitor electrolíticos

La operación mecánica final en la fabricación de capacitores electrolíticos húmedos es llenar losenvases del electrolito y sellarlos. Después de tales operaciones es generalmente necesario“envejecer” los capacitores. El envejecimiento consiste en aplicar un potencial al condensador, igualo levemente superior al voltaje de funcionamiento del condensador por un período de tiempopredeterminado. La momento del envejecimiento puede variar considerablemente con diversos tiposde capacitor, dependiendo de las características deseadas de la corriente final de salida.El envejecimiento de los capacitores electrolíticos húmedos es generalmente necesario porque,aunque el montaje del ánodo puede dejar la formación del tanque en condiciones perfectas, debeser expuesto a considerables esfuerzos mecánicos subsecuentes en operaciones de ensamblado.Esto es una causa de fracturas o agrietamiento de la película anódica y el uso del envejecimiento ode un potencial regenerativo es necesario para reparar este daño.Las roturas o las grietas en el de revestimiento de óxido, aumentarían obviamente los valoresnominales de corriente de pérdida del condensador. De hecho, una cantidad excesiva de fractura dela película puede aumentar la corriente de pérdida a tal valor que sería imposible reparar el dañodebido al hecho de que la estructura del condensador, en su totalidad, queda incapaz de irradiar elcalor generado como resultado del paso de la corriente suficiente para reparar o para reformar lapelícula. Si el calor no se puede irradiar, la temperatura del electrolito aumenta al punto que hierve yse pierde posteriormente por la evaporación.Para reducir al mínimo tales efectos negativos, los potenciales de envejecimiento se aplican con lalimitación de resistores para que el pasar la corriente a través del condensador la misma sea menora un valor máximo constante con la cantidad de calor que la estructura dada del condensador escapaz de irradiar, sin alcanzar una temperatura superior a un valor seguro. En la terminación delperíodo de envejecimiento, los capacitores están terminados a excepción de la medida decaracterísticas eléctricas esenciales.Para los capacitores de electrolito seco tenemos prácticamente la misma situación.Teóricamente por lo menos, para la formación de la película anódica la corriente puede llevarse a unpunto donde la misma es insignificante para cualquier voltaje específico. Un condensador cuyapelícula anódica se construye con un valor tan bajo de la corriente, no requeriría ninguna otraaplicación de voltaje. En la práctica real sin embargo, la hoja del ánodo se debe manejar durante las




operaciones mecánicas tales como el bobinado, el corte de las lengüetas y el plegamiento,impregnación y ensamble en los envases. Tal manipulación causa fracturas en película anódica y laexposición de partes de la superficie de la placa, sin película, al electrolito. Esto hace necesario,como procedimiento general, el uso del voltaje en los capacitores terminados para reparar o parareformar la película anódica, ósea un envejecimiento.En operaciones del envejecimiento, se aplica el Vr completo hasta que los valores de corriente desalida se disminuyen a los órdenes de magnitud deseados. En general también, el voltaje se aplicacon una resistencia de tal valor que la corriente se limite a un punto donde no se produzcasobrecalentamiento de la bobina. Tanto el voltaje aplicado como la corriente se ajustan en formaautomática hasta que los valores deseados se alcanzan.La cantidad de tiempo requerida para la operación del envejecimiento es determinada por lacantidad de daño en la película.

Fallas en los capacitores electrolíticos

Una falla en la uniformidad de la capa de óxido formada en algún punto de las placas produce uncortocircuito o una disminución de la tensión de trabajo del capacitor. Esta condición aumenta unacorriente de fuga que provoca el sobrecalentamiento interno y la consiguiente expansión yevaporación del ácido, que al superar por presión el hermetismo del tapón de goma puede destruirpor explosión al capacitor. Si el sellado hermético del capacitor no es bueno, el ácido se seca y deja de actuar como dieléctrico.En este caso, el valor de capacidad se reduce progresivamente.

Un capacitor que en un período de aproximadamente 4 años no recibe tensión (es decir, no seutiliza), comienza a deformarse internamente. En efecto, la capa de óxido de electrolito se reducepor sí misma si el capacitor no es conectado a una fuente de tensión continua, acercándosegradualmente a su condición primitiva de protocapacitor, cuando en fábrica estaba siendo formado.

Es por eso que debería tenerse especial cuidado en conocer la fecha de fabricación de estoscomponentes cuasi perecederos si está por comprar, o preguntar el tiempo de inactividad de unaparato electrónico, si se apresta a repararlo.

Un caso similar ocurre cuando se utiliza a un capacitor con tensiones mucho menores a su tensiónnominal de trabajo; al estar prácticamente sin polarización de corriente continua, la capa de óxido seirá haciendo cada vez más angosta, hasta provocar la falla del circuito electrónico en donde trabaja.

Al estar los terminales del capacitor unidos por remaches o puntos de soldadura a las placas, existeen ambos casos una cierta resistencia de contacto. Si el capacitor trabaja en una condición de altorizado (ripple) como, por ejemplo, el filtrado una fuente conmutada (switching), estas unioneseléctricas se calientan y se oxidan. Al calentarse y enfriarse, se dilatan y contraen respectivamente;estas sucesivas contracciones y dilataciones provocarán el aflojamiento de las uniones de losterminales, llegando incluso a dejar al capacitor en un estado de circuito abierto o con intermitencias,comúnmente llamadas falsos contactos.

Por otra parte, estos falsos contactos producen un sobrecalentamiento, que acelera el proceso, enuna especie de círculo vicioso. Esta condición especial es la que suele confundir a los técnicos másexperimentados, pues un aparato puede funcionar correctamente en el instante inicial de encendidoy fallar al alcanzar apenas unos grados de temperatura y viceversa.

Una fórmula generalmente aceptada para estimar vida del condensador es:




Lt = L

r

Vs

Vr 2

T

10

Donde:Lt = vida de funcionamiento bajo la temperatura y voltaje indicadosLr = vida en los límites dados por el fabricanteVs = límite del voltajeVr = voltaje de funcionamientoT = diferencia entre la temperatura de funcionamiento especificada por el fabricante y latemperatura de base del condensador en ºC.

Medición y comprobación de capacitores electrolíticos

Si bien existen varias pruebas y mediciones que pueden realizarse sobre un capacitor,mencionaremos aquellas que especialmente estén al alcance de un técnico estudiante o unprofesional reparador y que sean de utilidad para la detección y solución de fallas en equipos

electrónicos.• COMPROBACIÓN DE CONTINUIDAD: se utiliza un óhmetro común para comprobar si elcapacitor está en cortocircuito o con fugas de importancia, aunque no se podrá comprobarcon certeza que esté a circuito abierto o con intermitencias internas.

• MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE FUGAS: se realiza con una fuente de alimentación decorriente continua que se ajusta a la tensión nominal de trabajo del capacitor y se aplica almismo a través de un resistor de, por ejemplo, 1K ohms. La caída de tensión sobre el resistor,medida con un voltímetro, o el valor de corriente continua medido con un microamperímetro,luego de producirse la carga inicial, dará idea de la corriente de fuga, que deberá compararsecon la especificada por el fabricante en su hoja de datos. Este tipo de medición resulta útil enlos capacitores conectados como acoplo entre etapas de, por ejemplo, amplificadores deaudio.

• MEDICIÓN DE LA CAPACIDAD: puede utilizarse un puente LCR o un medidor de capacidad(capacímetro) y su lectura servirá para conocer si el valor de capacidad se encuentra dentrodel rango de tolerancia especificada por el fabricante. Un capacitor en muy mal estadodebería reflejar dicha condición en su valor de capacidad, sin embargo, en la práctica, unavariación del 10 % en el valor de capacidad puede ocultar un daño mayor, de hasta el 120 %,si se elige evaluar al capacitor midiendo su Resistencia Serie Equivalente (ESR). La mediciónde la capacidad será de mayor utilidad para los diseñadores de circuitos de RF, osciladores,circuitos con ajuste de sintonía, etc.

• MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA SERIE EQUIVALENTE (ESR): puede realizarse con ungenerador de RF generalmente ajustado a una frecuencia de unos 50 a 100 KHz. En seriecon el capacitor se debe conectar un resistor igual a la impedancia de salida del generador yen paralelo con él, un milivoltímetro de RF o bien, un osciloscopio. Cuanta más diferencia depotencial exista sobre el resistor, mejor será el estado del capacitor. Las lecturas tomadassólo servirán para la frecuencia elegida, perdiendo sentido el realizar comparaciones entrevalores de ESR medidos a diferentes frecuencias. También puede utilizarse un medidorespecializado de Resistencia Serie Equivalente, como el CAPACheck. Un instrumento de estetipo combina todos los instrumentos de laboratorio mencionados en la medición de ESR, yaconectados y ajustados adecuadamente a la misma frecuencia. Esta comprobación permitirámedir la resistencia serie de sus terminales, su unión a las placas, el estado de sequedad delelectrolito interno y de la capa de óxido, es decir, cuán lejos está un capacitor de su condicióninicial de protocapacitor, y será muy útil para determinar rápidamente el estado dinámico delos capacitor aun conectados a sus circuitos de trabajo.

Monografia c Electroliticos Final 2

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