Condensador
Guía de condensadores
¿Qué son las características de impedancia/frecuencia ESR en los condensadores?
En esta columna técnica se explican los conceptos básicos de los condensadores.
La columna de hoy describe las características de frecuencia de la cantidad de impedancia |Z| y la resistencia en serie equivalente (ESR) en los condensadores.
Comprender las características de frecuencia de los condensadores permite determinar, por ejemplo, la capacidad de supresión de ruidos o de control de las fluctuaciones de tensión de una línea de alimentación. Las características de frecuencia son, por tanto, parámetros importantes que resultan esenciales para el diseño de circuitos. Esta columna describe dos tipos de características de frecuencia: impedancia |Z| y ESR.
1. Características de frecuencia de los condensadores
La impedancia Z de un condensador ideal (Fig. 1) viene dada por la fórmula (1), donde ω es la frecuencia angular y C es la capacitancia electrostática del condensador.
A partir de la fórmula (1), la cantidad de impedancia |Z| disminuye inversamente con la frecuencia, como se muestra en la Figura 2. En un condensador ideal, no hay pérdidas y la resistencia en serie equivalente (ESR) es cero.
En los condensadores reales (Fig. 3), sin embargo, hay cierta resistencia (ESR) por pérdida debida a sustancias dieléctricas, electrodos u otros componentes, además del componente de capacidad C, y cierta inductancia parásita (ESL) debida a electrodos, cables y otros componentes. Como resultado, las características de frecuencia de |Z| forman una curva en forma de V (o en forma de U, dependiendo del tipo de condensador) como se muestra en la Figura 4, y la ESR también muestra características de frecuencia para valores equivalentes a la pérdida.
La razón por la que |Z| y ESR forman curvas como las mostradas en la Figura 4 puede explicarse de la siguiente manera.
Región de baja frecuencia:
|Z| en regiones de baja frecuencia disminuye inversamente con la frecuencia, de forma similar al condensador ideal. La ESR muestra un valor equivalente a la pérdida dieléctrica por retardo de la polarización en la sustancia dieléctrica.
Cerca del punto de resonancia:
A medida que aumenta la frecuencia, la ESR resultante de la inductancia parásita, la resistividad del electrodo y otros factores hace que el comportamiento de |Z| se aleje del de un condensador ideal (línea discontinua roja) y alcance un valor mínimo. La frecuencia a la que |Z| alcanza el valor mínimo se denomina frecuencia autorresonante, y en ese momento, |Z|=ESR. Una vez superada la frecuencia de autorresonancia, la característica del elemento cambia de condensador a inductor y |Z| empieza a aumentar. La región por debajo de la frecuencia de autorresonancia se denomina región capacitiva y la región por encima se denomina región inductiva.
La ESR se ve afectada por la pérdida causada por el electrodo además de la pérdida dieléctrica.
Región de alta frecuencia:
En zonas de frecuencia incluso superiores al punto de resonancia, las características |Z| vienen determinadas por la inductancia parásita (L). En la región de alta frecuencia, |Z| se aproxima a la fórmula (2) y aumenta proporcionalmente con la frecuencia.
En cuanto a la ESR, empiezan a aparecer efectos en la piel del electrodo, efectos de proximidad y otros efectos.
Lo anterior era una explicación de las características de frecuencia de un condensador real. El punto principal que hay que recordar es que, a medida que aumenta la frecuencia, no se pueden ignorar la ESR y la ESL. Como cada vez hay más aplicaciones en las que los condensadores se utilizan a altas frecuencias, la ESR y la ESL se convierten en un parámetro importante que muestra el rendimiento del condensador, además de los valores de capacitancia electrostática.
2. Características de frecuencia de diferentes tipos de condensadores
En la sección anterior se ha explicado que los componentes parásitos de los condensadores, como la ESR y la ESL, afectan en gran medida a sus características de frecuencia. Como los tipos de componentes parásitos varían según el tipo de condensador, veamos las diferentes características de frecuencia de los distintos tipos de condensadores.
La figura 5 muestra las características de frecuencia |Z| y ESR de varios condensadores con una capacitancia electrostática de 10 uF. Excepto el condensador de película, todos los condensadores son de tipo SMD.
Como la capacitancia electrostática es de 10 uF en todos los condensadores mostrados en la Figura 5, el valor |Z| es el mismo para todos los tipos en la región capacitiva a frecuencias inferiores a 1 kHz. Por encima de 1 kHz, los valores |Z| aumentan mucho más en el condensador electrolítico de aluminio y el condensador electrolítico de tántalo que en el condensador cerámico multicapa y el condensador de película. Esto se debe a la alta resistividad del material electrolítico y a la gran ESR del condensador electrolítico de aluminio y del condensador electrolítico de tántalo. El condensador de película y el condensador cerámico multicapa utilizan materiales metálicos para sus electrodos, por lo que presentan una ESR mínima.
El condensador cerámico multicapa y el condensador de película con plomo muestran aproximadamente las mismas características hasta el punto de resonancia, pero la frecuencia de autorresonancia es mayor y |Z| en la región inductiva es menor en el condensador cerámico multicapa. Esto se debe a que, en los condensadores de película con plomo, la inductancia sólo es tan grande como la debida al hilo conductor.
Estos resultados demuestran que la impedancia es pequeña en una amplia banda de frecuencias en los condensadores cerámicos multicapa de tipo SMD, lo que los convierte en los condensadores más adecuados para aplicaciones de alta frecuencia.
3. Características de frecuencia de los condensadores cerámicos multicapa
También existen diferentes tipos de condensadores cerámicos multicapa fabricados con distintos materiales y formas. Veamos cómo afectan estos factores a las características de frecuencia.
(1) ESR
La ESR en la región capacitiva depende de la pérdida dieléctrica causada por el material dieléctrico. Los materiales de clase 2 de alta constante dieléctrica tienden a tener mayores niveles de ESR, ya que utilizan ferroeléctricos. Los materiales de compensación de temperatura de clase 1 utilizan paraeléctricos y, por lo tanto, presentan muy poca pérdida dieléctrica y tienen bajos niveles de ESR.
Además de la resistividad del material del electrodo, la forma del electrodo (grosor, longitud, anchura) y el número de capas, los niveles de ESR a altas frecuencias desde alrededor del punto de resonancia hasta la región inductiva también se ven influidos por el efecto piel y por el efecto de proximidad. A menudo se utiliza Ni como material del electrodo, pero a veces se elige Cu de baja resistividad para condensadores de bajas pérdidas.
(2) ESL
La ESL de los condensadores cerámicos multicapa se ve muy afectada por la estructura del electrodo interno. Cuando el tamaño del electrodo interno se muestra como longitud l, anchura w y espesor d, la inductancia ESL del electrodo se puede mostrar mediante la fórmula (3), según F. W. Grover.
De esta fórmula se deduce que el ESL disminuye a medida que los electrodos del condensador son más cortos, anchos y gruesos.
La figura 6 muestra la relación entre la capacidad nominal y la frecuencia autorresonante para distintos tamaños de condensadores cerámicos multicapa. Puede verse que, a medida que disminuye el tamaño, aumenta la frecuencia autorresonante y disminuye el ESL para la misma capacidad. Esto significa que los condensadores pequeños con una longitud l corta son los más adecuados para aplicaciones de alta frecuencia.
La figura 7 muestra un condensador inverso LW con una longitud l corta y una anchura w grande. A partir de las características de frecuencia mostradas en la figura 8, se puede ver que los condensadores inversos LW tienen una impedancia más baja y mejores características que un condensador convencional de la misma capacidad. Utilizando condensadores inversos LW, se puede conseguir el mismo rendimiento que el de los condensadores convencionales con un menor número de unidades. La reducción del número de unidades permite reducir los costes y el espacio de montaje.
4. Cómo obtener datos sobre las características de frecuencia
Aunque los datos sobre las características de frecuencia pueden obtenerse con un analizador de impedancia o un analizador vectorial de redes, actualmente también se pueden consultar en los sitios web de los fabricantes de piezas.
La figura 9 muestra una vista de pantalla de la herramienta de diseño "SimSurfing" de Murata. Las características se pueden visualizar simplemente introduciendo el número de modelo y los elementos que desea comprobar. Además, puede descargar listas de redes SPICE y datos S2P como datos para simulaciones. No dude en utilizarlos para el diseño de todo tipo de circuitos electrónicos.
Seeherefor SimSurfing
Persona responsable: A.S., Unidad de Negocio de Componentes, Murata Manufacturing Co., Ltd.
La información presentada en este artículo estaba actualizada en la fecha de publicación. Tenga en cuenta que puede diferir de la información más reciente.
Productos relacionados