Condensador
Guía de condensadores
Las características de tensión de la capacidad electrostática
Saludos a todos.
Esta columna técnica describe los hechos básicos sobre los condensadores.
Esta lección describe las características de tensión de la capacitancia electrostática.
Características de tensión
El fenómeno por el que el valor de la capacidad efectiva de un condensador cambia en función de la tensión de corriente continua (CC) o alterna (CA) se denomina características de tensión. Se dice que los condensadores tienen buenas características de tensión cuando esta amplitud de variación es pequeña, o malas características de temperatura cuando la amplitud de variación es grande. Cuando se utilizan condensadores en equipos electrónicos destinados a aplicaciones como el rechazo de ondulaciones en líneas eléctricas, el diseño debe tener en cuenta las condiciones de tensión de funcionamiento.
1. Característica de polarización de CC
La característica de polarización de CC se refiere al fenómeno en el que la capacitancia electrostática efectiva cambia (disminuye) cuando se aplica tensión de CC a un condensador. Este fenómeno es propio de los condensadores cerámicos multicapa de alta constante dieléctrica que utilizan ferroeléctricos a base de titanato de bario, y no se da mucho en los condensadores electrolíticos de aluminio polimérico conductor (Polymer Al), los condensadores electrolíticos de tántalo polimérico conductor (Polymer Ta), los condensadores de película (Film) y los condensadores cerámicos multicapa con compensación de temperatura que utilizan paraeléctricos a base de óxido de titanio o circonato de calcio (MLCC<C0G>) (véase la figura 1).
Utilizaré un ejemplo para explicar lo que ocurre en realidad. Imaginemos el caso en el que se aplica una tensión continua de 1,8 V a un condensador cerámico multicapa de alta constante dieléctrica con una tensión nominal de 6,3 V y una capacitancia electrostática de 100 uF. En este caso, la capacitancia electrostática de un producto con características de temperatura X5R disminuye aproximadamente un 10%, por lo que el valor de la capacitancia efectiva pasa a ser de 90 uF. Además, la capacitancia electrostática de un producto con características Y5V disminuye aproximadamente un 40%, por lo que el valor de capacitancia efectiva pasa a ser de 60 uF.
Cuando se aplica tensión continua a un ferroeléctrico basado en titanato de bario, la densidad de flujo eléctrico (D) y el campo eléctrico (E) son proporcionales cuando el campo eléctrico es pequeño. Sin embargo, a medida que aumenta el campo eléctrico, la polarización espontánea (Ps) que estaba orientada en varias direcciones empieza a reordenarse en la dirección del campo eléctrico, el material presenta una constante dieléctrica extremadamente grande y el valor de la capacitancia efectiva aumenta. Cuando el campo eléctrico aumenta hasta el punto en que la polarización espontánea termina y la polarización se satura, la constante dieléctrica se reduce y el valor de la capacidad efectiva disminuye (véase la figura 2).
Por este motivo, al seleccionar condensadores cerámicos multicapa, no debe aceptarse sin más la capacitancia electrostática indicada en el catálogo. Por el contrario, es necesario medir la capacitancia electrostática mientras se aplica la componente de tensión continua de la línea de alimentación (señal) en la que se va a utilizar el condensador, y conocer el valor de capacitancia efectiva. Sin embargo, esta característica de polarización de CC es tal que la cantidad de disminución de la capacitancia electrostática se hace más pequeña a medida que disminuye el componente de tensión de CC aplicado. Recientemente, han aparecido chips semiconductores como FPGA y ASIC que funcionan con una tensión de alimentación (tensión de CC) inferior a 1 V, y los problemas relacionados con las características de polarización de CC no son tan notables para los condensadores cerámicos multicapa utilizados en las líneas de alimentación de estos chips semiconductores.
2. Característica de tensión alterna
La característica de tensión alterna se refiere al fenómeno en el que la capacitancia electrostática efectiva cambia (aumenta o disminuye) cuando se aplica tensión alterna a un condensador. Al igual que la característica de polarización de CC, este fenómeno es propio de los condensadores cerámicos multicapa de constante dieléctrica elevada que utilizan ferroeléctricos a base de titanato de bario, y no se da mucho en los condensadores electrolíticos de aluminio polimérico conductor (Polymer Al), los condensadores electrolíticos de tántalo polimérico conductor (Polymer Ta), los condensadores de película (Film) y los condensadores cerámicos multicapa de compensación de temperatura que utilizan paraeléctricos a base de óxido de titanio o circonato de calcio (MLCC<C0G>) (véase la figura 3).
Por ejemplo, imaginemos el caso en que se aplica una tensión alterna (frecuencia: 120 Hz) de 0,2 Vrms a un condensador cerámico multicapa de alta constante dieléctrica con una tensión nominal de 6,3 V y una capacitancia electrostática de 22 uF. En este caso, la capacitancia electrostática de un producto con características de temperatura X5R disminuye aproximadamente un 10%, por lo que el valor de la capacitancia efectiva pasa a ser de 20 uF. Además, la capacitancia electrostática de un producto con características Y5V disminuye aproximadamente un 20%, por lo que el valor de capacitancia efectiva pasa a ser de 18 uF.
Como se ha descrito anteriormente, los granos de las cerámicas ferroeléctricas tienen dominios, y la polarización espontánea (Ps) de cada dominio está orientada aleatoriamente, lo que equivale al estado sin polarización global. Cuando se aplica un campo eléctrico (E) a una cerámica ferroeléctrica en este estado, la polarización se alinea en la dirección del campo eléctrico y alcanza el valor de saturación. Incluso cuando se retira el campo eléctrico de este estado, la dirección de polarización no vuelve al estado aleatorio original, sino que permanece parcialmente en el estado polarizado, y esto aparece externamente como polarización residual. Para devolver esta polarización residual a 0 (cero) se requiere un campo eléctrico con la dirección opuesta. Además, cuando el campo eléctrico inverso se refuerza aún más, se produce la inversión de la polarización y el material se polariza en la dirección opuesta. De este modo, el comportamiento de polarización de los ferroeléctricos debido a un campo eléctrico externo dibuja una curva de histéresis D-E como la que se muestra en la Figura 4.
Se produce una gran distorsión de la forma de onda en la corriente que fluye a un condensador ferroeléctrico en condiciones de alta tensión alterna, por lo que la definición de materiales lineales (*1) no puede aplicarse tal cual. Sin embargo, puede decirse con seguridad que la constante dieléctrica (εr) obtenida a partir del valor de la capacitancia efectiva es aproximadamente equivalente a la pendiente media de la curva de histéresis (las rectas indicadas con líneas discontinuas en la Figura 4).
*1Material line al: Material que presenta características lineales de tensión-deformación; es decir, características del material en las que la tensión σ es proporcional a la deformación ε.
La próxima lección describirá las características frecuenciales de la capacitancia electrostática.
¡Hasta la próxima!
Persona a cargo：Zakipedia, Unidad de Negocio de Componentes, Murata Manufacturing Co., Ltd.
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