Tipos de condensadores

Un condensador convencional almacena energía eléctrica en forma de electricidad estática mediante la separación de cargas en un campo eléctrico entre dos placas de electrodos . Los portadores de carga suelen ser electrones . La cantidad de carga almacenada por unidad de voltaje depende esencialmente del tamaño de las placas, las propiedades del material de las placas, las propiedades del material dieléctrico situado entre ellas y la distancia de separación (es decir, el espesor del dieléctrico). La diferencia de potencial entre las placas está limitada por las propiedades del material dieléctrico y la distancia de separación.

Casi todos los condensadores industriales convencionales, excepto algunos tipos especiales como los "condensadores de paso", se construyen como "condensadores de placas", incluso si sus electrodos y el dieléctrico entre ellos están enrollados o laminados. La capacitancia C de un condensador de placas es

${\displaystyle C={\frac {\varepsilon A}{d}}}$.

La capacitancia aumenta con el área A de las placas y con la permitividad ε del material dieléctrico, y disminuye con la distancia de separación d entre las placas . Por lo tanto, la capacitancia es máxima en dispositivos fabricados con materiales de alta permitividad, gran área de placa y pequeña distancia entre placas.

Otro tipo  , el condensador electroquímico  , utiliza otros dos principios de almacenamiento para guardar energía eléctrica. A diferencia de los condensadores cerámicos, de película y electrolíticos , los supercondensadores (también conocidos como condensadores de doble capa eléctrica (EDLC) o ultracondensadores) no tienen un dieléctrico convencional. El valor de capacitancia de un condensador electroquímico está determinado por dos principios de almacenamiento de alta capacidad. Estos principios son:

• almacenamiento electrostático dentro de las capas dobles de Helmholtz logrado en la interfaz de fase entre la superficie de los electrodos y el electrolito (capacitancia de doble capa) ; y
• El almacenamiento electroquímico se logra mediante la transferencia de carga electrónica faradaica a través de iones absorbidos específicamente mediante reacciones redox (pseudocapacitancia) . A diferencia de las baterías, en estas reacciones, los iones simplemente se adhieren a la estructura atómica de un electrodo sin formar ni romper enlaces químicos, y no se producen modificaciones químicas, o estas son insignificantes, durante la carga y descarga.

La relación de almacenamiento resultante de cada principio puede variar considerablemente, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de la capacitancia hasta en un orden de magnitud con respecto al de la doble capa por sí sola. ^{[ 1 ]}

Los condensadores se dividen en dos grupos mecánicos: dispositivos de capacitancia fija con capacitancia constante y condensadores variables. Los condensadores variables se fabrican como potenciómetros de ajuste , que se regulan únicamente durante la calibración del circuito, o como dispositivos sintonizables durante el funcionamiento del instrumento electrónico.

El grupo más común son los condensadores fijos. Muchos reciben su nombre según el tipo de dieléctrico. Sin embargo, para una clasificación sistemática, estas características no son útiles, ya que uno de los más antiguos, el condensador electrolítico, se denomina según la construcción de su cátodo. Por lo tanto, los nombres más utilizados son simplemente históricos.

Los tipos de condensadores más comunes son:

• Los condensadores cerámicos tienen un dieléctrico cerámico .
• Los condensadores de película y de papel reciben su nombre según sus materiales dieléctricos.
• Los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio reciben su nombre del material utilizado como ánodo y de la construcción del cátodo ( electrolito ).
• Los condensadores de polímero son condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio o niobio que utilizan un polímero conductor como electrolito.
• Supercondensador es el nombre de la familia para:
  • Los condensadores de doble capa recibieron su nombre del fenómeno físico de la doble capa de Helmholtz .
  • Los pseudocapacitores recibieron su nombre por su capacidad de almacenar energía eléctrica electroquímicamente mediante una transferencia de carga faradaica reversible .
  • Los condensadores híbridos combinan condensadores de doble capa y pseudocondensadores para aumentar la densidad de potencia.
• Los condensadores de mica plateada, vidrio, silicio, de aire y de vacío reciben su nombre según su material dieléctrico.

Además de los tipos de condensadores mostrados anteriormente, que derivan su nombre de su desarrollo histórico, existen muchos condensadores individuales que han sido nombrados en función de su aplicación. Entre ellos se incluyen:

• Condensadores de potencia , condensadores de motor , condensadores de enlace de CC , condensadores de supresión , condensadores de cruce de audio , condensadores de balasto de iluminación , condensadores de amortiguación , condensadores de acoplamiento , desacoplamiento o derivación .

Con frecuencia, se emplea más de una familia de condensadores para estas aplicaciones; por ejemplo, para la supresión de interferencias se pueden usar condensadores cerámicos o condensadores de película .

Otros tipos de condensadores se tratan en la sección #Condensadores especiales .

Los dieléctricos más comunes son:

• Cerámica
• Películas plásticas
• Capa de óxido sobre metal ( aluminio , tantalio , niobio )
• Materiales naturales como mica , vidrio , papel , aire , SF6 , _vacío

Todos ellos almacenan su carga eléctrica de forma estática dentro de un campo eléctrico entre dos electrodos (paralelos).

Debajo de estos condensadores convencionales se desarrolló una familia de condensadores electroquímicos llamados supercondensadores . Los supercondensadores no tienen un dieléctrico convencional. Almacenan su carga eléctrica de forma estática en capas dobles de Helmholtz y de forma faradaica en la superficie de los electrodos.

• con capacitancia estática de doble capa en un condensador de doble capa y
• con pseudocapacitancia (transferencia de carga faradaica) en un pseudocapacitor
• o con ambos principios de almacenamiento juntos en condensadores híbridos .

En la tabla siguiente se muestran los parámetros materiales más importantes de los diferentes dieléctricos utilizados y el espesor aproximado de la capa de Helmholtz.

El área de las placas del condensador se puede adaptar al valor de capacitancia deseado. La permitividad y el espesor del dieléctrico son los parámetros determinantes para los condensadores. La facilidad de procesamiento también es crucial. Las láminas delgadas y mecánicamente flexibles se pueden enrollar o apilar fácilmente, lo que permite crear diseños de gran tamaño con altos valores de capacitancia. Sin embargo, las capas cerámicas sinterizadas metalizadas ultrafinas, recubiertas con electrodos metalizados, ofrecen las mejores condiciones para la miniaturización de circuitos con componentes SMD .

Las cifras de la tabla anterior explican algunos hechos sencillos:

• Los supercondensadores tienen la mayor densidad de capacitancia debido a sus principios especiales de almacenamiento de carga.
• Los condensadores electrolíticos tienen una densidad de capacitancia menor que los supercondensadores, pero la mayor densidad de capacitancia de los condensadores convencionales debido a su dieléctrico delgado.
• Los condensadores cerámicos de clase 2 tienen valores de capacitancia más altos en un caso dado que los condensadores de clase 1 debido a su mayor permitividad.
• Los condensadores de película, con sus diferentes materiales de película plástica, presentan una pequeña variación en las dimensiones para un valor de capacitancia/voltaje dado, debido a que el espesor mínimo de la película dieléctrica difiere entre los distintos materiales.

La capacitancia varía desde picofaradios hasta cientos de faradios. Los voltajes nominales pueden alcanzar los 100 kilovoltios. En general, la capacitancia y el voltaje se correlacionan con el tamaño físico y el costo.

Al igual que en otros campos de la electrónica, la eficiencia volumétrica mide el rendimiento de una función electrónica por unidad de volumen. En el caso de los condensadores, la eficiencia volumétrica se mide mediante el producto CV, que se calcula multiplicando la capacitancia (C) por la tensión máxima nominal (V) y dividiendo el resultado entre el volumen. Entre 1970 y 2005, la eficiencia volumétrica mejoró notablemente.

• Miniaturización de condensadores
• 
  Condensador de papel apilado de 1923 para el desacoplamiento (bloqueo) de ruido en líneas telegráficas.
• 
  Condensador de papel metalizado bobinado de principios de la década de 1930 en una carcasa de cartón duro, valor de capacitancia especificado en "cm" en el sistema cgs ; 5000  cm corresponden a 0,0056  μF.
• 
  Condensador electrolítico húmedo de aluminio plegado, Bell System 1929, vista del ánodo plegado, que estaba montado en una carcasa cuadrada (no mostrada) llena de electrolito líquido.
• 
  Dos condensadores electrolíticos de aluminio húmedo de 8  μF y 525 V, bobinados en una carcasa de papel sellada con alquitrán, procedentes de una radio de la década de 1930. 

Estos condensadores individuales pueden realizar su función independientemente de su pertenencia a un tipo de condensador de los mostrados anteriormente, de modo que existe un rango de aplicaciones superpuesto entre los diferentes tipos de condensadores.

Un condensador cerámico es un condensador fijo no polarizado compuesto por dos o más capas alternas de cerámica y metal, donde el material cerámico actúa como dieléctrico y el metal como electrodos. El material cerámico es una mezcla de gránulos finamente molidos de materiales paraeléctricos o ferroeléctricos , modificados con óxidos mixtos necesarios para lograr las características deseadas del condensador. El comportamiento eléctrico del material cerámico se divide en dos clases de estabilidad:

1. Condensadores cerámicos de clase 1 con alta estabilidad y bajas pérdidas que compensan la influencia de la temperatura en aplicaciones de circuitos resonantes. Las abreviaturas comunes de los códigos EIA / IEC son C0G /NP0, P2G/N150, R2G/N220, U2J/N750, etc.
2. Condensadores cerámicos de clase 2 con alta eficiencia volumétrica para aplicaciones de búfer, derivación y acoplamiento. Las abreviaturas comunes de los códigos EIA/IEC son: X7R/2XI, Z5U/E26, Y5V/2F4, X7S/2C1, etc.

La plasticidad de la materia prima cerámica resulta ideal para numerosas aplicaciones especiales y permite una gran variedad de estilos, formas y dimensiones de condensadores cerámicos. El condensador discreto más pequeño, por ejemplo, es un condensador de chip "01005" con unas dimensiones de tan solo 0,4  mm × 0,2  mm.

La construcción de condensadores cerámicos multicapa con capas mayoritariamente alternas da como resultado condensadores individuales conectados en paralelo. Esta configuración aumenta la capacitancia y disminuye las pérdidas y las inductancias parásitas . Los condensadores cerámicos son idóneos para altas frecuencias y cargas de pulsos de alta corriente.

Dado que el grosor de la capa dieléctrica cerámica se puede controlar y producir fácilmente mediante la tensión de aplicación deseada, existen condensadores cerámicos con tensiones nominales de hasta 30  kV.

Algunos condensadores cerámicos de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para aplicaciones especiales, incluidos condensadores de supresión de RFI/EMI para conexión a la red eléctrica, también conocidos como condensadores de seguridad, ^{[ 8 ]} condensadores X2Y y de tres terminales para aplicaciones de derivación y desacoplamiento, ^{[ 9 ] [ 10 ]} condensadores de paso para supresión de ruido mediante filtros de paso bajo ^{[ 11 ]} y condensadores de potencia cerámicos para transmisores y aplicaciones de HF. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

• Diversos estilos de condensadores cerámicos
• 
  Condensadores cerámicos multicapa (chips MLCC) para montaje SMD
• 
  Condensadores de desacoplamiento cerámicos X2Y
• 
  Condensadores cerámicos de supresión de EMI para conexión a la red eléctrica (condensadores de seguridad).
• 
  condensador cerámico de alta tensión

Los condensadores de película o condensadores de película plástica son condensadores no polarizados que utilizan una película plástica aislante como dieléctrico. Estas películas dieléctricas se estiran hasta formar una capa delgada, se les colocan electrodos metálicos y se enrollan en forma cilíndrica. Los electrodos de los condensadores de película pueden ser de aluminio o zinc metalizado, aplicados en una o ambas caras de la película plástica, dando lugar a condensadores de película metalizada, o bien, una lámina metálica separada que recubre la película, denominados condensadores de película/lámina.

Los condensadores de película metalizada ofrecen propiedades de autorreparación. Las rupturas dieléctricas o los cortocircuitos entre los electrodos no dañan el componente. La construcción metalizada permite fabricar condensadores bobinados con valores de capacitancia mayores (hasta 100  μF o más) en encapsulados más pequeños que los de construcción de película o lámina.

Los condensadores de película/lámina o condensadores de lámina metálica utilizan dos películas de plástico como dieléctrico. Cada película está recubierta con una fina lámina metálica, generalmente de aluminio, para formar los electrodos. La ventaja de esta construcción radica en la facilidad de conexión de los electrodos de lámina metálica, además de una excelente intensidad de pulso de corriente.

Una ventaja clave de la construcción interna de cada condensador de película es el contacto directo con los electrodos en ambos extremos del bobinado. Este contacto mantiene cortas las trayectorias de corriente. El diseño se comporta como un gran número de condensadores individuales conectados en paralelo, lo que reduce las pérdidas óhmicas internas ( resistencia serie equivalente o ESR) y la inductancia serie equivalente (ESL). La geometría inherente de la estructura del condensador de película da como resultado bajas pérdidas óhmicas y una baja inductancia parásita, lo que los hace adecuados para aplicaciones con altas corrientes de sobretensión ( amortiguadores ) y para aplicaciones de corriente alterna o de alta frecuencia.

Las películas plásticas utilizadas como dieléctrico para condensadores de película son polipropileno (PP), poliéster (PET), sulfuro de polifenileno (PPS), naftalato de polietileno (PEN) y politetrafluoroetileno (PTFE). El polipropileno, con una cuota de mercado de aproximadamente el 50 %, y el poliéster, con alrededor del 40 %, son los materiales de película más utilizados. El 10 % restante corresponde a otros materiales, como PPS y papel, con aproximadamente un 3 % cada uno. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Algunos condensadores de película de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para aplicaciones especiales, incluidos condensadores de supresión de RFI/EMI para conexión a la red eléctrica, también conocidos como condensadores de seguridad, ^{[ 16 ]} condensadores de amortiguación para corrientes de sobretensión muy altas, ^{[ 17 ]} condensadores de funcionamiento de motores y condensadores de CA para aplicaciones de funcionamiento de motores. ^{[ 18 ]}

• La capacidad de soportar altas corrientes de pulso es la característica más importante de los condensadores de película, por lo que muchos de los modelos disponibles cuentan con terminaciones especiales para altas corrientes.
• 
  Estilo radial (de un solo extremo) para montaje mediante soldadura de orificio pasante en placas de circuitos impresos.
• 
  Tipo SMD para montaje superficial en placas de circuitos impresos, con contactos metalizados en dos bordes opuestos.
• 
  Diseño radial con terminales de soldadura de alta resistencia para aplicaciones de amortiguación y cargas de sobretensión elevadas.
• 
  Condensador amortiguador de alta resistencia con terminales de tornillo.

Un tipo relacionado es el condensador de película de potencia . Los materiales y las técnicas de construcción utilizados para los condensadores de película de gran potencia son, en su mayoría, similares a los de los condensadores de película convencionales. Sin embargo, por razones históricas, los condensadores con potencias de elevadas a muy elevadas, destinados a aplicaciones en sistemas de potencia e instalaciones eléctricas, suelen clasificarse por separado. La estandarización de los condensadores de película convencionales se centra en parámetros eléctricos y mecánicos. En cambio, la estandarización de los condensadores de potencia prioriza la seguridad del personal y los equipos, según lo determine la autoridad reguladora local.

A medida que los equipos electrónicos modernos adquirieron la capacidad de manejar niveles de potencia que antes eran dominio exclusivo de los componentes de "potencia eléctrica", la distinción entre las potencias "electrónicas" y "eléctricas" se desdibujó. Históricamente, el límite entre estas dos categorías se situaba aproximadamente en una potencia reactiva de 200 voltios-amperios.

Los condensadores de película de potencia suelen utilizar película de polipropileno como dieléctrico. Otros tipos incluyen condensadores de papel metalizado (condensadores MP) y condensadores de película de dieléctrico mixto con dieléctrico de polipropileno. Los condensadores MP se utilizan en aplicaciones económicas y como electrodos portadores libres de campo (condensadores de lámina húmeda) para cargas de CA alta o pulsos de alta corriente. Los devanados se pueden rellenar con aceite aislante o resina epoxi para reducir las burbujas de aire y, por lo tanto, evitar cortocircuitos.

Se utilizan como convertidores para cambiar voltaje, corriente o frecuencia, para almacenar o suministrar energía eléctrica de forma abrupta o para mejorar el factor de potencia. El rango de voltaje nominal de estos condensadores es de aproximadamente 120  V  CA (balastos de iluminación capacitivos) a 100  kV. ^{[ 19 ]}

• Condensadores de película de potencia para aplicaciones en sistemas de potencia, instalaciones eléctricas y plantas.
• 
  Condensador de película de potencia para corrección del factor de potencia (PFC) de CA, empaquetado en una carcasa metálica cilíndrica.
• 
  Condensador de película de potencia en carcasa rectangular
• 
  Uno de los varios bancos de condensadores de película de potencia para almacenamiento de energía, destinados a la generación de campo magnético en el acelerador de anillo de hadrones y electrones ( HERA ), ubicado en el sitio DESY en Hamburgo , Alemania.
• 
  Banco de condensadores de subestación de 75 MVAR a 150  kV

Los condensadores electrolíticos tienen un ánodo metálico recubierto con una capa oxidada que actúa como dieléctrico. El segundo electrodo es un electrolito sólido o no sólido (húmedo). Los condensadores electrolíticos son polarizados. Existen tres familias, clasificadas según su dieléctrico.

• Condensadores electrolíticos de aluminio con óxido de aluminio como dieléctrico
• Condensadores electrolíticos de tantalio con pentóxido de tantalio como dieléctrico
• Condensadores electrolíticos de niobio con pentóxido de niobio como dieléctrico.

El ánodo está altamente rugoso para aumentar su superficie. Esto, junto con la permitividad relativamente alta de la capa de óxido, confiere a estos condensadores una capacitancia por unidad de volumen muy elevada en comparación con los condensadores de película o cerámicos.

La permitividad del pentóxido de tantalio es aproximadamente tres veces mayor que la del óxido de aluminio, lo que permite obtener componentes significativamente más pequeños. Sin embargo, la permitividad solo determina las dimensiones. Los parámetros eléctricos, especialmente la conductividad , vienen determinados por el material y la composición del electrolito. Se utilizan tres tipos generales de electrolitos:

• no sólidos (húmedos, líquidos): conductividad aproximada de 10  mS/cm y son los de menor costo.
• Óxido de manganeso sólido: conductividad aproximada de 100  mS/cm que ofrece alta calidad y estabilidad.
• Polímero conductor sólido ( polipirrol o PEDOT:PSS ): conductividad aproximada de 100...500  S/cm, ^{[ 20 ] [ 21 ]} ofrece valores de ESR tan bajos como <10  mΩ.

Las pérdidas internas de los condensadores electrolíticos, que se utilizan principalmente en aplicaciones de desacoplamiento y almacenamiento de energía, están determinadas por el tipo de electrolito.

La gran capacitancia por unidad de volumen de los condensadores electrolíticos los hace valiosos en circuitos eléctricos de corriente relativamente alta y baja frecuencia , por ejemplo, en filtros de alimentación para desacoplar componentes de CA no deseados de las conexiones de alimentación de CC o como condensadores de acoplamiento en amplificadores de audio, para transmitir o derivar señales de baja frecuencia y almacenar grandes cantidades de energía. El valor de capacitancia relativamente alto de un condensador electrolítico, combinado con la muy baja ESR del electrolito polimérico de los condensadores de polímero , especialmente en los de tipo SMD, los convierte en una alternativa a los condensadores de chip MLC en las fuentes de alimentación de ordenadores personales.

Los condensadores electrolíticos bipolares de aluminio (también llamados condensadores no polarizados) contienen dos láminas de aluminio anodizado que se comportan como dos condensadores conectados en serie.

Los condensadores electrolíticos para aplicaciones especiales incluyen condensadores de arranque de motores, ^{[ 22 ]} condensadores de linternas ^{[ 23 ]} y condensadores de audiofrecuencia. ^{[ 24 ]}

• Representación esquemática
• 
  Representación esquemática de la estructura de un condensador electrolítico de aluminio bobinado con electrolito no sólido (líquido).
• 
  Representación esquemática de la estructura de un condensador electrolítico de tantalio sinterizado con electrolito sólido y capas de contacto del cátodo.

• condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio
• 
  Condensadores electrolíticos de aluminio de tipo axial, radial (de un solo extremo) y en V.
• 
  Condensadores electrolíticos de aluminio de tipo encaje a presión para aplicaciones de potencia
• 
  Tipo SMD para montaje superficial de condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito polimérico.
• 
  Condensadores electrolíticos de tantalio para montaje en superficie.

Los supercondensadores (SC) , ^{[ 25 ]} comprenden una familia de condensadores electroquímicos . Supercondensador, a veces llamado ultracondensador, es un término genérico para condensadores de doble capa eléctrica (EDLC), pseudocondensadores y condensadores híbridos. No tienen un dieléctrico sólido convencional . El valor de capacitancia de un condensador electroquímico está determinado por dos principios de almacenamiento, ambos contribuyen a la capacitancia total del condensador: ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

• Capacitancia de doble capa : El almacenamiento se logra mediante la separación de carga en una doble capa de Helmholtz en la interfaz entre la superficie de un conductor y una solución electrolítica. La distancia de separación de carga en una doble capa es del orden de unos pocos angstroms (0,3–0,8 nm ). Este almacenamiento es de origen electrostático . ^{[ 1 ]} 
• Pseudocapacitancia : El almacenamiento se logra mediante reacciones redox , electroabsorción o intercalación en la superficie del electrodo o mediante iones específicamente adsorbidos que dan como resultado una transferencia de carga faradaica reversible . La pseudocapacitancia es de origen faradaico. ^{[ 1 ]}

La relación de almacenamiento resultante de cada principio puede variar considerablemente, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de la capacitancia hasta en un orden de magnitud con respecto al de la doble capa por sí sola. ^{[ 25 ]}

Los supercondensadores se dividen en tres familias, según el diseño de los electrodos:

• Condensadores de doble capa : con electrodos de carbono o derivados con una capacitancia estática de doble capa mucho mayor que la pseudocapacitancia faradaica.
• Pseudocapacitores : con electrodos de óxidos metálicos o polímeros conductores con una alta cantidad de pseudocapacitancia faradaica.
• Condensadores híbridos : condensadores con electrodos especiales y asimétricos que presentan una capacitancia de doble capa y una pseudocapacitancia significativas, como los condensadores de iones de litio.

Los supercondensadores cierran la brecha entre los condensadores convencionales y las baterías recargables . Tienen los valores de capacitancia más altos disponibles por unidad de volumen y la mayor densidad de energía de todos los condensadores. Admiten hasta 12 000 faradios /1,2 voltios, ^{[ 29 ]} con valores de capacitancia hasta 10 000 veces superiores a los de los condensadores electrolíticos . ^{[ 25 ]} Si bien los supercondensadores existentes tienen densidades de energía que son aproximadamente el 10 % de una batería convencional, su densidad de potencia es generalmente de 10 a 100 veces mayor. La densidad de potencia se define como el producto de la densidad de energía, multiplicado por la velocidad a la que se entrega la energía a la carga . La mayor densidad de potencia resulta en ciclos de carga/descarga mucho más cortos que los que puede soportar una batería, y una mayor tolerancia a numerosos ciclos de carga/descarga. Esto los hace muy adecuados para la conexión en paralelo con baterías y puede mejorar el rendimiento de la batería en términos de densidad de potencia.

En los condensadores electroquímicos, el electrolito es la conexión conductora entre los dos electrodos, lo que los distingue de los condensadores electrolíticos, en los que el electrolito solo forma el cátodo, el segundo electrodo.

Los supercondensadores son polarizados y deben funcionar con la polaridad correcta. La polaridad se controla mediante el diseño, con electrodos asimétricos, o, en el caso de electrodos simétricos, mediante un potencial aplicado durante el proceso de fabricación.

Los supercondensadores admiten un amplio espectro de aplicaciones para requisitos de potencia y energía, entre las que se incluyen:

• Baja corriente de alimentación durante períodos prolongados para el respaldo de memoria en ( SRAM ) en equipos electrónicos
• Electrónica de potencia que requiere corrientes muy altas y de muy corta duración, como en el sistema KERS de los coches de Fórmula 1.
• Recuperación de la energía de frenado en vehículos como autobuses y trenes.

Los supercondensadores rara vez son intercambiables, especialmente aquellos con mayores densidades de energía. La norma IEC 62391-1, Condensadores fijos de doble capa eléctrica para uso en equipos electrónicos, identifica cuatro clases de aplicación:

• Clase 1, respaldo de memoria, corriente de descarga en mA = 1 • C (F)
• Clase 2, Almacenamiento de energía, corriente de descarga en mA = 0,4 • C (F) • V (V)
• Clase 3, Potencia, corriente de descarga en mA = 4 • C (F) • V (V)
• Clase 4, potencia instantánea, corriente de descarga en mA = 40 • C (F) • V (V)

• Supercondensadores de iones de litio y de doble capa
• 
  Condensador de doble capa de 1  F a 5,5  V para la retención de datos cuando se interrumpe la alimentación.
• 
  Condensadores de iones de litio de estilo radial (de un solo extremo) para alta densidad de energía
• 
  Supercondensadores

Numerosas normas de seguridad exigen el uso de condensadores de clase X o clase Y siempre que un "fallo en cortocircuito" pueda poner en peligro a las personas, para garantizar el aislamiento galvánico incluso cuando el condensador falla.

Los rayos y otras fuentes provocan sobretensiones en la red eléctrica. Los condensadores de seguridad protegen a las personas y los dispositivos de las sobretensiones al derivar la energía de la sobretensión a tierra. ^{[ 30 ]}

En particular, las normas de seguridad exigen una disposición específica de los condensadores de filtrado de red ^{de clase X y clase Y. [ 31} ]

En principio, cualquier dieléctrico podría usarse para construir condensadores de Clase X y Clase Y; tal vez incluyendo un fusible interno para mejorar la seguridad. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} En la práctica, los condensadores que cumplen con las especificaciones de Clase X y Clase Y suelen ser condensadores cerámicos de supresión de RFI/EMI o condensadores de película plástica de supresión de RFI/EMI .

Debajo de los condensadores descritos anteriormente, que cubren más o menos la totalidad del mercado de condensadores discretos, se pueden encontrar en electrónica algunos desarrollos nuevos o tipos de condensadores muy especiales, así como tipos más antiguos.

Los capacitores variables pueden modificar su capacitancia mediante movimiento mecánico. Existen dos tipos principales:

• Condensador de sintonización: condensador variable para sintonizar intencional y repetidamente un circuito oscilador en una radio u otro circuito sintonizado.
• Condensador de ajuste: pequeño condensador variable que se suele utilizar para el ajuste interno de un circuito oscilador de un solo uso.

Los condensadores variables son aquellos que utilizan una construcción mecánica para modificar la distancia entre las placas o la superficie de contacto entre ellas. Generalmente, utilizan aire como dieléctrico.

Los diodos semiconductores de capacitancia variable no son condensadores en el sentido de componentes pasivos, pero pueden cambiar su capacitancia en función de la tensión de polarización inversa aplicada y se utilizan como un condensador variable. Han sustituido a gran parte de los condensadores de ajuste y de regulación.

• condensadores variables
• 
  condensador de sintonización de entrehierro
• 
  condensador de sintonización de vacío
• 
  Condensador de ajuste para montaje pasante
• 
  Condensador de ajuste para montaje en superficie

Los condensadores discretos se desvían del condensador ideal. Un condensador ideal solo almacena y libera energía eléctrica, sin disipación. Los componentes de los condensadores presentan pérdidas y partes inductivas parásitas. Estas imperfecciones en el material y la construcción pueden tener implicaciones positivas, como un comportamiento lineal en frecuencia y temperatura en los condensadores cerámicos de clase 1. Por el contrario, las implicaciones negativas incluyen la capacitancia no lineal dependiente de la tensión en los condensadores cerámicos de clase 2 o el aislamiento dieléctrico insuficiente de los condensadores, que provoca corrientes de fuga.

Todas las propiedades pueden definirse y especificarse mediante un circuito equivalente en serie compuesto por una capacitancia idealizada y componentes eléctricos adicionales que modelan todas las pérdidas y parámetros inductivos de un condensador. En este circuito equivalente en serie, las características eléctricas se definen mediante:

• C , la capacitancia del condensador
• R _insul , la resistencia de aislamiento del dieléctrico, que no debe confundirse con el aislamiento de la carcasa.
• R _fuga , la resistencia que representa la corriente de fuga del condensador.
• R _ESR , la resistencia serie equivalente que resume todas las pérdidas óhmicas del condensador, generalmente abreviada como "ESR".
• L _ESL , la inductancia serie equivalente que es la autoinductancia efectiva del condensador, generalmente abreviada como "ESL".

La norma IEC /EN 60384-1 especifica el uso de un circuito equivalente en serie en lugar de un circuito equivalente en paralelo .

La capacitancia nominal C _R o capacitancia nominal C _N es el valor para el cual se ha diseñado el condensador. La capacitancia real depende de la frecuencia medida y la temperatura ambiente. Las condiciones de medición estándar son un método de medición de CA de bajo voltaje a una temperatura de 20  °C con frecuencias de

• 100  kHz, 1  MHz (preferible) o 10  MHz para condensadores no electrolíticos con C _R ≤ 1 nF:
• 1  kHz o 10  kHz para condensadores no electrolíticos con 1 nF < C _R ≤ 10 μF
• 100/120  Hz para condensadores electrolíticos
• 50/60  Hz o 100/120  Hz para condensadores no electrolíticos con C _R > 10 μF

Para los supercondensadores se aplica un método de caída de voltaje para medir el valor de la capacitancia.

Los condensadores están disponibles en valores preferidos de incremento geométrico ( serie E ), según lo especificado en la norma IEC/EN 60063. De acuerdo con el número de valores por década, se denominaron series E3, E6, E12, E24 , etc. El rango de unidades utilizadas para especificar los valores de los condensadores se ha ampliado para incluir desde picofaradios (pF), nanofaradios (nF) y microfaradios (μF) hasta faradios (F). Los milifaradios y kilofaradios son poco comunes.

El porcentaje de desviación permitida respecto al valor nominal se denomina tolerancia . El valor real de capacitancia debe estar dentro de sus límites de tolerancia; de lo contrario, no cumple con las especificaciones. La norma IEC/EN 60062 especifica un código de letra para cada tolerancia.

La tolerancia requerida viene determinada por la aplicación específica. Las tolerancias estrechas de E24 a E96 se utilizan en circuitos de alta calidad, como osciladores y temporizadores de precisión. Las aplicaciones generales, como los circuitos de filtrado o acoplamiento no críticos, emplean E12 o E6. Los condensadores electrolíticos, que se utilizan a menudo para filtrado y derivación , suelen tener una tolerancia de ±20 % y deben ajustarse a los valores de la serie E6 (o E3).

La capacitancia suele variar con la temperatura. Los distintos dieléctricos presentan grandes diferencias en su sensibilidad a la temperatura. El coeficiente de temperatura se expresa en partes por millón (ppm) por grado Celsius para los condensadores cerámicos de clase 1 o en  porcentaje sobre el rango total de temperaturas para los demás.

La mayoría de los capacitores discretos presentan variaciones de capacitancia al aumentar la frecuencia. La rigidez dieléctrica de los capacitores cerámicos y de película plástica de clase 2 disminuye con el aumento de la frecuencia. Por lo tanto, su capacitancia disminuye con la frecuencia. Este fenómeno, en el caso de los capacitores cerámicos de clase 2 y de película plástica, se relaciona con la relajación dieléctrica, donde la constante de tiempo de los dipolos eléctricos es la causa de la dependencia de la permitividad con la frecuencia . Los gráficos a continuación muestran el comportamiento típico de la capacitancia en función de la frecuencia para capacitores cerámicos y de película.

• Dependencia de la capacitancia con la frecuencia para capacitores cerámicos y de película.
• 
  Dependencia de la capacitancia con la frecuencia para condensadores cerámicos de clase 2 (NP0 de clase 1 para comparación).
• 
  Dependencia de la capacitancia con la frecuencia para capacitores de película con diferentes materiales de película.

En los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido, se produce un movimiento mecánico de los iones . Su movilidad es limitada, por lo que a frecuencias elevadas no todas las áreas de la estructura rugosa del ánodo están cubiertas por iones portadores de carga. Cuanto mayor es la rugosidad de la estructura del ánodo, mayor es la disminución de la capacitancia al aumentar la frecuencia. Los condensadores de baja tensión con ánodos muy rugosos presentan una capacitancia a 100  kHz que es aproximadamente entre el 10 % y el 20 % del valor medido a 100  Hz.

La capacitancia también puede variar con la tensión aplicada. Este efecto es más frecuente en los condensadores cerámicos de clase 2. La permitividad del material ferroeléctrico de clase 2 depende de la tensión aplicada. A mayor tensión, menor permitividad. La variación de la capacitancia puede llegar a ser del 80 % del valor medido con la tensión de medición estandarizada de 0,5 o 1,0  V. Este comportamiento constituye una pequeña fuente de no linealidad en filtros de baja distorsión y otras aplicaciones analógicas. En aplicaciones de audio, esto puede provocar distorsión (medida mediante THD ).

Los condensadores de película y los condensadores electrolíticos no presentan una dependencia significativa del voltaje.

• Dependencia de la capacitancia con respecto al voltaje para algunos capacitores cerámicos de clase 2 diferentes.
• 
  Diagrama simplificado de la variación de la capacitancia en función de la tensión aplicada para  condensadores de 25 V fabricados con diferentes tipos de materiales cerámicos.
• 
  Diagrama simplificado de la variación de la capacitancia en función de la tensión aplicada para cerámicas X7R con diferentes tensiones nominales.

La tensión a la que el dieléctrico se vuelve conductor se denomina tensión de ruptura y se obtiene multiplicando la rigidez dieléctrica por la distancia entre los electrodos. La rigidez dieléctrica depende de la temperatura, la frecuencia, la forma de los electrodos, etc. Dado que la ruptura en un condensador normalmente implica un cortocircuito que destruye el componente, la tensión de funcionamiento es inferior a la tensión de ruptura. La tensión de funcionamiento se especifica de forma que pueda aplicarse de forma continua durante toda la vida útil del condensador.

En la norma IEC/EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida se denomina «tensión nominal». La tensión nominal (UR) es la tensión continua máxima o la tensión de pico de pulso que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal.

La tensión de protección de casi todos los condensadores disminuye con el aumento de la temperatura. Algunas aplicaciones requieren un rango de temperatura más elevado. Reducir la tensión aplicada a temperaturas más altas mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica una segunda tensión de protección contra sobretensiones para un rango de temperatura más alto: la tensión de categoría. La tensión de categoría (UC) es la tensión continua máxima o la tensión de pico de pulso que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de categoría.

La relación entre voltajes y temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.

En general, un condensador se considera un componente de almacenamiento de energía eléctrica. Sin embargo, esta es solo una de sus funciones. Un condensador también puede actuar como una resistencia de CA. En muchos casos, se utiliza como condensador de desacoplamiento para filtrar o derivar a tierra frecuencias de CA polarizadas no deseadas. Otras aplicaciones emplean condensadores para el acoplamiento capacitivo de señales de CA; el dieléctrico se utiliza únicamente para bloquear la CC. Para estas aplicaciones, la resistencia de CA es tan importante como el valor de la capacitancia.

La resistencia de CA dependiente de la frecuencia se denomina impedancia.${\displaystyle \scriptstyle Z}$y es la relación compleja entre el voltaje y la corriente en un circuito de CA. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de CA y posee magnitud y fase a una frecuencia determinada. Esto difiere de la resistencia, que solo tiene magnitud.

${\displaystyle \ Z=|Z|e^{j\theta }}$

La magnitud${\displaystyle \scriptstyle |Z|}$representa la relación entre la amplitud de la diferencia de voltaje y la amplitud de la corriente,${\displaystyle \scriptstyle j}$es la unidad imaginaria , mientras que el argumento${\displaystyle \scriptstyle \theta }$Indica la diferencia de fase entre el voltaje y la corriente.

En las hojas de datos de los condensadores, solo se especifica la magnitud de la impedancia |Z|, y simplemente se escribe como "Z" para que la fórmula de la impedancia se pueda escribir en forma cartesiana.

${\displaystyle \ Z=R+jX}$

donde la parte real de la impedancia es la resistencia${\displaystyle \scriptstyle R}$(para condensadores)${\displaystyle \scriptstyle ESR}$) y la parte imaginaria es la reactancia${\displaystyle \scriptstyle X}$.

Como se muestra en el circuito equivalente en serie de un condensador, el componente real incluye un condensador ideal.${\displaystyle C}$, una inductancia${\displaystyle L(ESL)}$y una resistencia${\displaystyle R(ESR)}$. La reactancia total a la frecuencia angular${\displaystyle \omega }$por lo tanto viene dada por la suma geométrica (compleja) de una reactancia capacitiva ( Capacitancia )${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$y una reactancia inductiva ( inductancia ):${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$.

Para calcular la impedancia${\displaystyle \scriptstyle Z}$La resistencia debe agregarse geométricamente y luego${\displaystyle Z}$es dado por

${\displaystyle Z={\sqrt {{ESR}^{2}+(X_{\mathrm {C} }+(-X_{\mathrm {L} }))^{2}}}}$La impedancia es una medida de la capacidad de un condensador para conducir corrientes alternas. En este sentido, la impedancia puede utilizarse como la ley de Ohm.

${\displaystyle Z={\frac {\hat {u}}{\hat {\imath }}}={\frac {U_{\mathrm {eff} }}{I_{\mathrm {eff} }}}.}$

para calcular el valor pico o el valor efectivo de la corriente o el voltaje.

En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas

${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$y${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$

tienen el mismo valor (${\displaystyle X_{C}=X_{L}}$), entonces la impedancia solo estará determinada por${\displaystyle {ESR}}$.

La impedancia especificada en las hojas de datos suele mostrar curvas típicas para los diferentes valores de capacitancia. A medida que aumenta la frecuencia, la impedancia disminuye hasta un mínimo. Cuanto menor sea la impedancia, más fácilmente podrán circular corrientes alternas a través del condensador. En el punto de resonancia, donde XC tiene el mismo valor que XL, el condensador presenta la impedancia más baja. En este punto, solo la ESR determina la impedancia. Con frecuencias superiores a la resonancia, la impedancia vuelve a aumentar debido a la ESL del condensador. El condensador se comporta como una inductancia.

Como se muestra en el gráfico, los valores de capacitancia más altos se ajustan mejor a las frecuencias más bajas, mientras que los valores de capacitancia más bajos se ajustan mejor a las frecuencias más altas.

Los condensadores electrolíticos de aluminio presentan propiedades de desacoplamiento relativamente buenas en el rango de bajas frecuencias, hasta aproximadamente 1  MHz, debido a sus elevados valores de capacitancia. Por este motivo, se utilizan condensadores electrolíticos en fuentes de alimentación estándar o conmutadas, después del rectificador, para aplicaciones de filtrado.

Los condensadores cerámicos y de película ya superan sus valores de capacitancia más bajos, adecuados para frecuencias más altas de hasta varios cientos  de MHz. También presentan una inductancia parásita significativamente menor, lo que los hace idóneos para aplicaciones de alta frecuencia, debido a su construcción con contacto superficial de los electrodos. Para ampliar el rango de frecuencias, a menudo se conecta un condensador electrolítico en paralelo con un condensador cerámico o de película. ^{[ 47 ]}

Muchos desarrollos recientes se centran en reducir la inductancia parásita (ESL). Esta aumenta la frecuencia de resonancia del condensador y, por ejemplo, puede adaptarse a la velocidad de conmutación cada vez mayor de los circuitos digitales. La miniaturización, especialmente en los condensadores cerámicos multicapa SMD ( MLCC ), incrementa la frecuencia de resonancia. La inductancia parásita se reduce aún más al colocar los electrodos en el lado longitudinal del chip en lugar del lateral. La construcción "boca abajo" asociada a la tecnología multiánodo en los condensadores electrolíticos de tantalio reduce aún más la ESL. Familias de condensadores como los denominados condensadores MOS o de silicio ofrecen soluciones cuando se requieren condensadores para frecuencias de hasta GHz.

La inductancia serie equivalente (ESL) en los condensadores industriales se debe principalmente a los terminales y las conexiones internas que unen las placas del condensador al exterior. Los condensadores grandes tienden a tener una ESL mayor que los pequeños, ya que la distancia a las placas es mayor y cada milímetro cuenta como una inductancia.

Para cualquier capacitor discreto, existe una frecuencia por encima de CC en la que deja de comportarse como un capacitor puro. Esta frecuencia, donde${\displaystyle X_{C}}$es tan alto como${\displaystyle X_{L}}$Se denomina frecuencia de autorresonancia. La frecuencia de autorresonancia es la frecuencia más baja a la que la impedancia alcanza su valor mínimo. Para cualquier aplicación de corriente alterna, la frecuencia de autorresonancia es la frecuencia más alta a la que los condensadores pueden utilizarse como componente capacitivo.

Esto es fundamental para desacoplar los circuitos lógicos de alta velocidad de la fuente de alimentación. El condensador de desacoplamiento suministra corriente transitoria al chip. Sin desacopladores, el circuito integrado demanda corriente más rápido de lo que la conexión a la fuente de alimentación puede proporcionarla, ya que partes del circuito se encienden y apagan rápidamente. Para contrarrestar este problema potencial, los circuitos suelen utilizar varios condensadores de derivación: condensadores pequeños (de 100 nF o menos) para altas frecuencias, un condensador electrolítico grande para frecuencias más bajas y, ocasionalmente, un condensador de valor intermedio.

Las pérdidas resumidas en los capacitores discretos son pérdidas óhmicas de CA. Las pérdidas de CC se especifican como " corriente de fuga " o "resistencia de aislamiento" y son despreciables para una especificación de CA. Las pérdidas de CA no son lineales, posiblemente dependiendo de la frecuencia, la temperatura, la antigüedad o la humedad. Las pérdidas resultan de dos condiciones físicas:

• pérdidas de línea que incluyen resistencias internas de la línea de suministro, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, resistencia de línea de los electrodos y en condensadores electrolíticos de aluminio "húmedos" y especialmente supercondensadores, la conductividad limitada de los electrolitos líquidos y
• pérdidas dieléctricas debidas a la polarización dieléctrica .

La mayor parte de estas pérdidas en capacitores grandes suele deberse a las pérdidas dieléctricas óhmicas dependientes de la frecuencia. En componentes más pequeños, especialmente en capacitores electrolíticos húmedos, la conductividad de los electrolitos líquidos puede superar las pérdidas dieléctricas. Para medir estas pérdidas, es necesario establecer la frecuencia de medición. Dado que los componentes disponibles comercialmente ofrecen valores de capacitancia que abarcan 15 órdenes de magnitud, desde pF (10⁻¹² ^F  ) hasta unos 1000  F en supercondensadores, no es posible abarcar todo el rango con una sola frecuencia. La norma IEC 60384-1 establece que las pérdidas óhmicas deben medirse a la misma frecuencia utilizada para medir la capacitancia. Estas son:

• 100  kHz, 1  MHz (preferible) o 10  MHz para condensadores no electrolíticos con C _R ≤ 1 nF:
• 1  kHz o 10  kHz para condensadores no electrolíticos con 1 nF < C _R ≤ 10 μF
• 100/120  Hz para condensadores electrolíticos
• 50/60  Hz o 100/120  Hz para condensadores no electrolíticos con C _R > 10 μF

Las pérdidas resistivas totales de un condensador pueden especificarse como ESR, como factor de disipación (DF, tan δ) o como factor de calidad (Q), según los requisitos de la aplicación.

Condensadores con mayor corriente de rizado${\displaystyle I_{R}}$ Las cargas, como los condensadores electrolíticos, se especifican mediante la resistencia serie equivalente (ESR). La ESR se puede representar como una parte óhmica en el diagrama vectorial anterior. Los valores de ESR se especifican en las hojas de datos para cada tipo de carga.

Las pérdidas de los condensadores de película y algunos condensadores cerámicos de clase 2 se especifican principalmente con el factor de disipación tan δ. Estos condensadores tienen pérdidas menores que los condensadores electrolíticos y se utilizan principalmente a frecuencias más altas, hasta unos cientos de MHz. Sin embargo, el valor numérico del factor de disipación, medido a la misma frecuencia, es independiente del valor de la capacitancia y se puede especificar para una serie de condensadores con un rango de capacitancia. El factor de disipación se determina como la tangente de la reactancia (${\displaystyle X_{C}-X_{L}}$)  y la ESR, y se puede mostrar como el ángulo δ entre el eje imaginario y el eje de impedancia.

Si la inductancia${\displaystyle ESL}$ Si es pequeño, el factor de disipación se puede aproximar como:

${\displaystyle \tan \delta =ESR\cdot \omega C}$

Los condensadores con pérdidas muy bajas, como los condensadores cerámicos de Clase 1 y Clase 2, especifican las pérdidas resistivas mediante un factor de calidad (Q). Los condensadores cerámicos de Clase 1 son especialmente adecuados para circuitos resonantes LC con frecuencias de hasta GHz y filtros paso alto y paso bajo de alta precisión. En un sistema eléctricamente resonante, Q representa el efecto de la resistencia eléctrica y caracteriza el ancho de banda del resonador.${\displaystyle B}$en relación con su centro o frecuencia de resonancia${\displaystyle f_{0}}$Q se define como el valor recíproco del factor de disipación.

${\displaystyle Q={\frac {1}{\tan \delta }}={\frac {f_{0}}{B}}\ }$

En los circuitos resonantes, un valor Q elevado es un indicador de la calidad de la resonancia.

Un condensador puede actuar como una resistencia de CA, acoplando el voltaje de CA y la corriente de CA entre dos puntos. Cada flujo de corriente de CA a través de un condensador genera calor dentro del cuerpo del condensador. Estas pérdidas de potencia por disipación${\displaystyle P}$es causado por${\displaystyle ESR}$y es el valor al cuadrado de la corriente efectiva (RMS).${\displaystyle I}$

${\displaystyle P=I^{2}\cdot ESR}$

La misma pérdida de potencia se puede escribir con el factor de disipación.${\displaystyle \tan \delta }$como

${\displaystyle P={\frac {U^{2}\cdot \tan \delta }{2\pi f\cdot C}}}$

El calor generado internamente debe disiparse al ambiente. La temperatura del condensador, que se establece mediante el equilibrio entre el calor producido y el disipado, no debe exceder la temperatura máxima especificada para el condensador. Por lo tanto, la ESR o factor de disipación indica la potencia máxima (carga de CA, corriente de rizado, carga pulsante, etc.) para la que está diseñado un condensador.

Las corrientes alternas pueden ser:

• corriente de rizado: una corriente alterna efectiva (RMS), proveniente de un voltaje de CA superpuesto a una polarización de CC, una
• corriente de pulso: una corriente de pico de CA, proveniente de un pico de voltaje o una
• Corriente alterna: una corriente sinusoidal efectiva (RMS).

Las corrientes de rizado y alternas calientan principalmente el cuerpo del condensador. La temperatura interna generada por estas corrientes influye en la tensión de ruptura del dieléctrico. A mayor temperatura, menor es la tensión de ruptura de todos los condensadores. En los condensadores electrolíticos húmedos, las altas temperaturas provocan la evaporación de los electrolitos, acortando su vida útil. En los condensadores de película, las altas temperaturas pueden contraer la película plástica, alterando sus propiedades.

Las corrientes pulsantes, especialmente en los condensadores de película metalizada, calientan las zonas de contacto entre el recubrimiento final (schoopage) y los electrodos metalizados. Esto puede reducir el contacto con los electrodos, aumentando el factor de disipación.

Para un funcionamiento seguro, la temperatura máxima generada por cualquier flujo de corriente alterna a través del condensador es un factor limitante, que a su vez limita la carga de CA, la corriente de rizado, la carga de pulsos, etc.

corriente alterna

A un condensador no polarizado solo se le puede aplicar una carga de corriente alterna (CA). Los condensadores para aplicaciones de CA son principalmente condensadores de película, condensadores de papel metalizado, condensadores cerámicos y condensadores electrolíticos bipolares.

La carga de CA nominal para un condensador de CA es la corriente de CA efectiva sinusoidal máxima (rms) que se puede aplicar continuamente a un condensador dentro del rango de temperatura especificado. En las hojas de datos, la carga de CA se puede expresar como

• tensión de CA nominal a bajas frecuencias,
• potencia reactiva nominal a frecuencias intermedias,
• Reducción de la tensión alterna o de la corriente alterna nominal a altas frecuencias.

La tensión de CA nominal para condensadores de película se calcula generalmente de forma que el aumento de temperatura interna de 8 a 10  K sea el límite permitido para un funcionamiento seguro. Dado que las pérdidas dieléctricas aumentan con la frecuencia, la tensión de CA especificada debe reducirse a frecuencias más altas. Las hojas de datos de los condensadores de película especifican curvas especiales para la reducción de la tensión de CA a frecuencias elevadas.

Si los condensadores de película o los condensadores cerámicos solo tienen una especificación de CC, el valor pico de la tensión de CA aplicada debe ser inferior a la tensión de CC especificada.

Las cargas de CA pueden aparecer en condensadores de arranque de motores de CA, para la duplicación de voltaje, en amortiguadores , balastos de iluminación y para PFC (corrección del factor de potencia) para el desplazamiento de fase, con el fin de mejorar la estabilidad y la eficiencia de la red de transmisión, que es una de las aplicaciones más importantes para los condensadores de gran potencia. Estos condensadores, en su mayoría de película de PP o papel metalizado, están limitados por la potencia reactiva nominal VAr.

Los condensadores electrolíticos bipolares, a los que se puede aplicar una tensión alterna, se especifican con una corriente de rizado nominal.

La resistencia del dieléctrico es finita, lo que genera una corriente de fuga continua que provoca que un condensador cargado pierda carga con el tiempo. En los condensadores cerámicos y de película, esta resistencia se denomina resistencia de aislamiento R _ins . Esta resistencia se representa mediante la resistencia R _ins en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie. La resistencia de aislamiento no debe confundirse con el aislamiento externo del componente con respecto al entorno.

La curva temporal de autodescarga sobre la resistencia de aislamiento con voltaje de capacitor decreciente sigue la fórmula

${\displaystyle u(t)=U_{0}\cdot \mathrm {e} ^{-t/\tau _{\mathrm {s} }},}$

Con voltaje CC almacenado${\displaystyle U_{0}}$ y constante de autodescarga

${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }=R_{\mathrm {ins} }\cdot C}$

Así, después${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }\,}$ Voltaje${\displaystyle U_{0}}$ cae al 37% del valor inicial.

La constante de autodescarga es un parámetro importante para el aislamiento del dieléctrico entre los electrodos de los condensadores cerámicos y de película. Por ejemplo, un condensador puede utilizarse como componente de control de tiempo en relés temporizados o para almacenar un valor de voltaje, como en circuitos de muestreo y retención o amplificadores operacionales .

Los condensadores cerámicos de clase  1 tienen una resistencia de aislamiento de al menos 10  GΩ, mientras que  los de clase 2 tienen al menos 4  GΩ o una constante de autodescarga de al menos 100  s. Los condensadores de película plástica suelen tener una resistencia de aislamiento de 6 a 12  GΩ. Esto corresponde a condensadores en el rango de µF con una constante de autodescarga de aproximadamente 2000–4000  s. ^{[ 54 ]}

La resistencia de aislamiento y la constante de autodescarga pueden disminuir si la humedad penetra en el bobinado. Dependen en gran medida de la temperatura y disminuyen al aumentarla. Ambas disminuyen al aumentar la temperatura.

En los condensadores electrolíticos, la resistencia de aislamiento se define como la corriente de fuga.

En los condensadores electrolíticos, la resistencia de aislamiento del dieléctrico se denomina "corriente de fuga". Esta corriente continua está representada por la resistencia R _fuga en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrolíticos. Esta resistencia entre los terminales del condensador también es finita. R _fuga es menor en los condensadores electrolíticos que en los cerámicos o de película.

La corriente de fuga engloba todas las pequeñas imperfecciones del dieléctrico causadas por procesos químicos no deseados y daños mecánicos. También es la corriente continua que puede atravesar el dieléctrico tras la aplicación de un voltaje. Depende del intervalo sin voltaje aplicado (tiempo de almacenamiento), de la tensión térmica derivada de la soldadura, del voltaje aplicado, de la temperatura del condensador y del tiempo de medición.

La corriente de fuga disminuye en los primeros minutos tras la aplicación de la tensión continua. Durante este periodo, la capa de óxido dieléctrico puede autorreparar sus debilidades mediante la formación de nuevas capas. El tiempo necesario depende generalmente del electrolito. Los electrolitos sólidos disminuyen más rápidamente que los electrolitos no sólidos, pero se mantienen en un nivel ligeramente superior.

La corriente de fuga en los condensadores electrolíticos no sólidos, así como en los condensadores de tantalio sólido de óxido de manganeso, disminuye con el tiempo de conexión a la tensión debido a efectos de autorreparación. Si bien la corriente de fuga de los electrolíticos es mayor que la corriente que fluye a través de la resistencia de aislamiento en los condensadores cerámicos o de película, la autodescarga de los condensadores electrolíticos no sólidos modernos tarda varias semanas.

Un problema particular de los condensadores electrolíticos es el tiempo de almacenamiento. Un mayor tiempo de almacenamiento puede provocar una mayor corriente de fuga. Este comportamiento se limita a electrolitos con un alto porcentaje de agua. Los disolventes orgánicos, como el GBL , no presentan fugas elevadas con tiempos de almacenamiento prolongados.

La corriente de fuga se mide normalmente 2 o 5 minutos después de aplicar la tensión nominal.

Todos los materiales ferroeléctricos presentan un efecto piezoeléctrico . Dado que los condensadores cerámicos de Clase 2 utilizan un dieléctrico cerámico ferroeléctrico, este tipo de condensadores pueden presentar efectos eléctricos denominados microfonía . La microfonía describe cómo los componentes electrónicos transforman las vibraciones mecánicas en una señal eléctrica no deseada ( ruido ). ^{[ 55 ]} El dieléctrico puede absorber fuerzas mecánicas derivadas de golpes o vibraciones al cambiar su grosor y la separación entre los electrodos, lo que afecta a la capacitancia e induce una corriente alterna. La interferencia resultante es especialmente problemática en aplicaciones de audio, pudiendo causar retroalimentación o grabaciones no deseadas.

En el efecto microfónico inverso, la variación del campo eléctrico entre las placas del condensador ejerce una fuerza física que las convierte en un altavoz. Las cargas de impulsos de alta corriente o las corrientes de rizado elevadas pueden generar sonido audible en el propio condensador, consumiendo energía y sometiendo a tensión el dieléctrico. ^{[ 56 ]}

La absorción dieléctrica se produce cuando un condensador que ha permanecido cargado durante mucho tiempo se descarga solo parcialmente al ser descargado brevemente. Si bien un condensador ideal alcanzaría cero voltios después de la descarga, los condensadores reales desarrollan una pequeña tensión debido a la descarga dipolar retardada, un fenómeno también conocido como relajación dieléctrica , "absorción" o "efecto de batería".

En muchas aplicaciones de condensadores, la absorción dieléctrica no representa un problema, pero en algunas, como integradores de constante de tiempo larga , circuitos de muestreo y retención , convertidores analógico-digitales de condensadores conmutados y filtros de muy baja distorsión , el condensador no debe recuperar una carga residual tras su descarga completa, por lo que se especifican condensadores con baja absorción. ^{[ 59 ]} La tensión en los terminales generada por la absorción dieléctrica puede, en algunos casos, causar problemas en el funcionamiento de un circuito electrónico o representar un riesgo para la seguridad del personal. Para evitar descargas eléctricas, la mayoría de los condensadores de gran tamaño se suministran con cables de cortocircuito que deben retirarse antes de su uso. ^{[ 60 ]}

El valor de la capacitancia depende del material dieléctrico (ε), la superficie de los electrodos (A) y la distancia (d) que separa los electrodos, y viene dado por la fórmula de un condensador de placas:

${\displaystyle C\approx {\frac {\varepsilon A}{d}}}$

La separación de los electrodos y la resistencia a la tensión del material dieléctrico determinan la tensión de ruptura del condensador. La tensión de ruptura es proporcional al espesor del dieléctrico.

Teóricamente, supongamos dos condensadores con las mismas dimensiones mecánicas y dieléctrico, pero uno de ellos con la mitad del grosor del dieléctrico. Con las mismas dimensiones, este condensador podría albergar el doble de área de placas paralelas en su interior. Teóricamente, este condensador tendría cuatro veces la capacitancia del primero, pero la mitad de la capacidad de aislamiento.

Dado que la densidad de energía almacenada en un condensador viene dada por:

${\displaystyle E_{\mathrm {stored} }={\frac {1}{2}}CV^{2},}$

Por lo tanto , un condensador con un dieléctrico de la mitad de grosor que otro tiene una capacitancia 4 veces mayor pero una resistencia a la tensión de 1/2 , lo que resulta en una densidad de energía máxima igual.

Por lo tanto, el espesor del dieléctrico no afecta la densidad de energía dentro de un capacitor de dimensiones fijas. El uso de pocas capas gruesas de dieléctrico puede soportar un alto voltaje, pero una baja capacitancia, mientras que las capas delgadas de dieléctrico producen un bajo voltaje de ruptura, pero una mayor capacitancia.

Esto supone que ni las superficies de los electrodos ni la permitividad del dieléctrico cambian con la tensión aplicada. Una simple comparación con dos series de condensadores existentes permite comprobar si la realidad coincide con la teoría. La comparación es sencilla, ya que los fabricantes utilizan tamaños de carcasa o cajas estandarizadas para los diferentes valores de capacitancia/tensión dentro de una misma serie.

En realidad, las series de condensadores modernos no se ajustan a la teoría. En los condensadores electrolíticos, la superficie rugosa, similar a una esponja, de la lámina del ánodo se vuelve más lisa con voltajes más altos, disminuyendo el área superficial del ánodo. Pero como la energía aumenta al cuadrado con el voltaje, y la superficie del ánodo disminuye menos que la tensión de prueba, la densidad de energía aumenta claramente. En los condensadores de película, la permitividad cambia con el espesor del dieléctrico y otros parámetros mecánicos, por lo que la desviación de la teoría tiene otras razones. ^{[ 63 ]}

Comparando los capacitores de la tabla con un supercondensador, la familia de capacitores de mayor densidad de energía. Para ello, el capacitor 25 F/2.3  V en dimensiones D × H = 16  mm × 26  mm de la serie Maxwell HC, comparado con el capacitor electrolítico de tamaño aproximadamente igual en la tabla. Este supercondensador tiene aproximadamente 5000 veces mayor capacitancia que el capacitor electrolítico 4700/10 pero 1/4 del voltaje y tiene alrededor de 66 000 mWs (0,018 Wh) de energía eléctrica almacenada, ^{[ 64 ]} aproximadamente 100 veces mayor densidad de energía (40 a 280 veces) que el capacitor electrolítico.  

Los parámetros eléctricos de los condensadores pueden variar con el tiempo durante su almacenamiento y uso. Las razones de estas variaciones son diversas: pueden deberse a propiedades del dieléctrico, influencias ambientales, procesos químicos o efectos de secado en materiales no sólidos.

Envejecimiento

En los capacitores cerámicos ferroeléctricos de Clase 2, la capacitancia disminuye con el tiempo. Este comportamiento se denomina "envejecimiento". Este envejecimiento ocurre en dieléctricos ferroeléctricos, donde los dominios de polarización en el dieléctrico contribuyen a la polarización total. La degradación de los dominios polarizados en el dieléctrico disminuye la permitividad y, por lo tanto, la capacitancia con el tiempo. ^{[ 65 ] [ 66 ]} El envejecimiento sigue una ley logarítmica. Esto define la disminución de la capacitancia como un porcentaje constante durante una década de tiempo después del tiempo de recuperación de la soldadura a una temperatura definida, por ejemplo, en el período de 1 a 10  horas a 20  °C. Como la ley es logarítmica, la pérdida porcentual de capacitancia será el doble entre 1  h y 100  h y el triple entre 1  h y 1000  h, y así sucesivamente. El envejecimiento es más rápido cerca del principio, y el valor absoluto de la capacitancia se estabiliza con el tiempo.

La tasa de envejecimiento de los condensadores cerámicos de Clase 2 depende principalmente de sus materiales. En general, cuanto mayor sea la dependencia de la temperatura de la cerámica, mayor será el porcentaje de envejecimiento. El envejecimiento típico de los condensadores cerámicos X7R es de aproximadamente un 2,5 % por década. ^{[ 67 ]} La tasa de envejecimiento de los condensadores cerámicos Z5U es significativamente mayor y puede llegar hasta un 7 % por década.

El proceso de envejecimiento de los condensadores cerámicos de Clase 2 puede revertirse calentando el componente por encima del punto de Curie .

Los condensadores cerámicos de clase 1 y los condensadores de película no presentan envejecimiento ferroeléctrico. Sin embargo, factores ambientales como las altas temperaturas, la elevada humedad y las tensiones mecánicas pueden, a largo plazo, provocar un pequeño cambio irreversible en el valor de la capacitancia, también denominado envejecimiento.

La variación de capacitancia en los condensadores cerámicos de clase 1 P  100 y N  470 es inferior al 1%, mientras que en los condensadores con cerámica N  750 a N  1500 es ≤  2%. Los condensadores de película pueden perder capacitancia debido a procesos de autorreparación o ganarla debido a la humedad. Las variaciones típicas durante dos años a 40  °C son, por ejemplo, de ±3% para los condensadores de película de PE y de ±1% para los de PP.

De por vida

Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido envejecen a medida que el electrolito se evapora. Esta evaporación depende de la temperatura y de la carga de corriente a la que están sometidos. La fuga de electrolito influye en la capacitancia y la ESR. La capacitancia disminuye y la ESR aumenta con el tiempo. A diferencia de los condensadores cerámicos, de película y electrolíticos con electrolitos sólidos, los condensadores electrolíticos "húmedos" alcanzan un "fin de vida útil" específico al alcanzar un cambio máximo determinado de capacitancia o ESR. El fin de vida útil, "vida útil bajo carga" o "vida útil" se puede estimar mediante fórmulas o diagramas ^{[ 68 ]} o, aproximadamente, mediante la denominada "ley de los 10 grados". Una especificación típica para un condensador electrolítico indica una vida útil de 2000 horas a 85  °C, duplicándose por cada 10 grados menos de temperatura, alcanzando una vida útil de aproximadamente 15 años a temperatura ambiente.

Los supercondensadores también experimentan evaporación del electrolito con el tiempo. La estimación es similar a la de los condensadores electrolíticos húmedos. Además de la temperatura, la tensión y la corriente de carga influyen en su vida útil. Una tensión inferior a la nominal, una corriente de carga menor y una temperatura más baja prolongan su vida útil.

Los condensadores son componentes fiables con bajas tasas de fallo , alcanzando una vida útil de décadas en condiciones normales. La mayoría de los condensadores pasan una prueba al final de la producción similar a un " rodaje ", de modo que se detectan fallos precoces durante la fabricación, reduciendo así el número de fallos posteriores al envío.

La fiabilidad de los condensadores se suele especificar en términos de Fallos en el Tiempo (FIT, por sus siglas en inglés) durante el período de fallos aleatorios constantes. El FIT es el número de fallos que cabe esperar en mil millones de horas de funcionamiento del componente en condiciones de trabajo fijas (por ejemplo, 1000 dispositivos durante 1 millón de horas, o 1 millón de dispositivos durante 1000 horas cada uno, a 40  °C y 0,5 U _R ). Para otras condiciones de tensión aplicada, carga de corriente, temperatura, influencias mecánicas y humedad, el FIT puede recalcularse con términos estandarizados para contextos industriales ^{[ 69 ]} o militares ^{[ 70 ] .}

Los condensadores pueden experimentar cambios en sus parámetros eléctricos debido a factores ambientales como la soldadura, el estrés mecánico (vibración, impacto) y la humedad. El factor de estrés más importante es la soldadura. El calor del baño de soldadura, especialmente en el caso de los condensadores SMD, puede provocar que los condensadores cerámicos modifiquen la resistencia de contacto entre los terminales y los electrodos; en los condensadores de película, esta puede contraerse, y en los condensadores electrolíticos húmedos, el electrolito puede hervir. Un periodo de recuperación permite que las características se estabilicen tras la soldadura; algunos tipos pueden requerir hasta 24 horas. Algunas propiedades pueden alterarse irreversiblemente en un pequeño porcentaje debido a la soldadura.

Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido se someten a un proceso de envejecimiento durante su fabricación, al aplicarles la tensión nominal a alta temperatura durante un tiempo suficiente para reparar todas las grietas y debilidades que puedan haber surgido durante la producción. Algunos electrolitos con alto contenido de agua reaccionan de forma bastante agresiva, incluso violenta, con el aluminio sin protección. Esto genera un problema de almacenamiento o desuso en los condensadores electrolíticos fabricados antes de la década de 1980. Los procesos químicos debilitan la capa de óxido cuando estos condensadores no se utilizan durante demasiado tiempo, lo que provoca fallos o un rendimiento deficiente, como fugas excesivas. Durante la década de 1980 se desarrollaron nuevos electrolitos con inhibidores o pasivadores para mitigar este problema. ^{[ 71 ] [ 72 ]}

Se recomienda el preacondicionamiento para condensadores electrolíticos con electrolito no sólido, incluso para aquellos fabricados recientemente, que no se hayan utilizado durante un período prolongado. En el preacondicionamiento, se aplica un voltaje al condensador y se hace pasar una corriente limitada a través de él. El paso de esta corriente limitada repara las capas de óxido dañadas durante el período de inactividad. El voltaje aplicado es inferior o igual al voltaje nominal del condensador. La corriente puede limitarse, por ejemplo, mediante una resistencia en serie. El preacondicionamiento se interrumpe una vez que la corriente de fuga es inferior a un nivel aceptable al voltaje deseado. En 2015, un fabricante indicó que el preacondicionamiento podía ser útil para condensadores con electrolito no sólido que hubieran estado almacenados durante más de 1 a 10 años, dependiendo el tiempo máximo de almacenamiento del tipo de condensador. ^{[ 73 ]}

Las pruebas y los requisitos que deben cumplir los condensadores para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos estandarizados se establecen en la especificación genérica IEC / EN 60384-1 en las siguientes secciones. ^{[ 74 ]}

Especificación genérica

• IEC/EN 60384-1— Condensadores fijos para uso en equipos electrónicos

condensadores cerámicos

• IEC/EN 60384-8— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 1
• IEC/EN 60384-9— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 2
• IEC/EN 60384-21— Condensadores multicapa fijos de montaje superficial con dieléctrico cerámico, Clase 1
• IEC/EN 60384-22— Condensadores multicapa fijos de montaje superficial con dieléctrico cerámico, Clase 2

condensadores de película

• IEC/EN 60384-2— Condensadores de CC con dieléctrico de película de tereftalato de polietileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-11— Condensadores de CC con lámina metálica dieléctrica de película de tereftalato de polietileno fija
• IEC/EN 60384-13— Condensadores de CC con lámina metálica dieléctrica de película de polipropileno fija
• IEC/EN 60384-16— Condensadores de CC con dieléctrico de película de polipropileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-17— Dieléctrico de película de polipropileno metalizado fijo para corriente alterna y pulsada
• IEC/EN 60384-19— Condensadores de CC de montaje superficial con dieléctrico de película de tereftalato de polietileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-20— Condensadores de CC de montaje superficial con dieléctrico de película de sulfuro de polifenileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-23— Condensadores de CC con chip dieléctrico de película de naftalato de polietileno metalizado fijo

condensadores electrolíticos

• IEC/EN 60384-3— Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje superficial con electrolito sólido de dióxido de manganeso
• IEC/EN 60384-4— Condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido (MnO2) y no sólido
• IEC/EN 60384-15— Condensadores fijos de tantalio con electrolito sólido y no sólido
• IEC/EN 60384-18— Condensadores electrolíticos fijos de aluminio para montaje en superficie con electrolito sólido (MnO ₂ ) y no sólido
• IEC/EN 60384-24— Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje superficial con electrolito sólido de polímero conductor
• IEC/EN 60384-25— Condensadores electrolíticos de aluminio fijos de montaje superficial con electrolito sólido de polímero conductor
• IEC/EN 60384-26— Condensadores electrolíticos fijos de aluminio con electrolito sólido de polímero conductor

Supercondensadores

• IEC/EN 62391-1— Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos eléctricos y electrónicos – Parte 1: Especificación genérica
• IEC/EN 62391-2— Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos electrónicos – Parte 2: Especificación seccional – Condensadores eléctricos de doble capa para aplicaciones de potencia

• Marcado de polaridad
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Los condensadores electrónicos de aluminio con electrolito no sólido tienen la polaridad indicada en el cátodo ( lado negativo ). Los condensadores electrónicos de aluminio, tantalio y niobio con electrolito sólido tienen la polaridad indicada en el ánodo ( lado positivo ). Los supercondensadores tienen la polaridad indicada en el lado negativo .