La confiabilidad del condensador se puede mejorar con los materiales adecuados

Al elegir los condensadores, las propiedades tales como la eficiencia volumétrica, la estabilidad de frecuencia, la clasificación de temperatura o la resistencia en serie equivalente son a menudo los factores principales que gobiernan la selección de tecnología. En estos casos, comprender los factores que afectan la vida útil puede ayudar a los ingenieros a garantizar que el producto proporcionará la confiabilidad requerida.

Por otro lado, una larga vida operativa puede ser un requisito clave del producto final y, en última instancia, puede determinar la selección del dispositivo.

Los procesos de fabricación de condensadores, como la selección o los procesos para controlar la pureza de los materiales o componentes, pueden proporcionar una mayor garantía de fiabilidad que permite a los ingenieros reducir el número de condensadores en el circuito y, por lo tanto, reducir el tamaño y el costo de la solución sin comprometer la fiabilidad.

Propiedades del condensador

Se sabe que los condensadores hechos con poliéster metalizado o película de polipropileno, por ejemplo, tienen una larga vida útil. Las propiedades de alto voltaje o alta temperatura hacen que estos dispositivos sean ideales para aplicaciones tales como electrónica automotriz o balastos de lámparas, mientras que la autocuración ayuda a superar los efectos de pequeñas impurezas en el dieléctrico que pueden provocar fallas en el cortocircuito.
Por otro lado, a medida que estas debilidades se curan, la capacitancia disponible total comienza a disminuir y la resistencia en serie equivalente (ESR) comienza a aumentar. En última instancia, esto gobierna la vida útil del dispositivo. El uso de materiales de alta calidad y los procesos de fabricación dieléctrica pueden minimizar los defectos que conducen a una tasa de autocuración más lenta.

En aplicaciones de energía alternativa, donde una ESR baja es particularmente deseable para minimizar las pérdidas de energía, es posible verificar las vidas operativas de varias décadas, incluso cuando los condensadores funcionan a temperaturas de 70 ° C o más.

Los condensadores de aluminio cubren una serie de diferentes tipos de construcción, cada uno de los cuales tiene un rendimiento de por vida muy diferente. Los condensadores de electrolito húmedo, por ejemplo, tienen un mecanismo de desgaste bien definido y comprendido. El electrolito es ligeramente ácido y, por lo tanto, degradará el dieléctrico con el tiempo.

Por otro lado, el electrolito también proporciona el oxígeno necesario para volver a crecer el dieléctrico. Esta es la razón por la que es importante considerar la "vida útil" de un condensador electrolítico de aluminio húmedo que no se ha encendido, ya sea en un estante o en una placa.

Figura 1: Los MLCC X5R y X7R combinan BME a base de níquel y dieléctrico de titanato de bario dopado.

Un hecho interesante es que los condensadores de aluminio con un diámetro de 30 mm o más tienden a tener un electrolítico más neutro, en lugar de un ácido, por lo que pueden tener una vida útil de dos a cuatro años en condiciones relativamente moderadas. Estas cifras, por supuesto, varían según el electrolito utilizado en cada familia de productos.

Los condensadores de “polímero de aluminio” sólido o “polímero orgánico”, por otro lado, tienen características de vida muy diferentes.
Estos dispositivos no tienen electrolito en el producto terminado. En cambio, el cátodo es un material sólido de polímero conductor. Esto da como resultado una vida útil operacional excepcionalmente larga en condiciones nominales, que puede ser similar a la de otros condensadores sólidos.

Algunas hojas de datos describen la resistencia de estos tipos de dispositivos en términos de propiedades como cambio de capacitancia, ESR y apariencia después de 1,000 horas de operación.

Es importante tener en cuenta que las 1000 horas no representan la vida útil del capacitor. Más bien, estas pruebas de resistencia son similares a los tipos de pruebas de vida acelerada que normalmente se usan para calificar componentes pasivos.

En lo que respecta a los condensadores cerámicos de calidad comercial, el sistema típico de electrodos es un sistema de electrodos de metal base (BME), consulte la figura 1, que utiliza principalmente níquel.

En comparación con los sistemas anteriores de electrodos de metales preciosos (PME), BME permite una mayor capacidad de tensión de tensión. Los dieléctricos populares de los tipos X7R y X5R actualmente se basan en titanato de bario, con aditivos como el dióxido de manganeso que coexisten con la química BME y evitan la reducción del dieléctrico mediante los procesos de cocción aplicados al capacitor durante la fabricación.

Las mejoras en la composición dieléctrica han aumentado considerablemente la confiabilidad y la vida útil de la cerámica.

Fiabilidad del condensador de tantalio

Los condensadores fabricados con dieléctrico de tantalio tienen una vida útil excepcionalmente larga. Al ser un dispositivo completamente sólido, prácticamente no hay mecanismo de desgaste.

Las fallas más comunes para los dispositivos basados ​​en tantalio son las llamadas fallas de "activación". Esto puede ocurrir cuando se aplica un paso de voltaje y el capacitor puede extraer una corriente inicial grande. Esto puede activar un defecto en el dieléctrico, lo que puede causar la falla del dispositivo en el caso de que el dieléctrico no pueda sanar.

Los dispositivos de polímero-tantalio se benefician de una pronunciada capacidad de autocuración y se sabe que son robustos contra este tipo de falla. Los estudios han demostrado que la vida útil de los elementos capacitivos puede ser de cientos o incluso miles de años. Es probable que esto sea considerablemente más largo que la vida útil de otros materiales utilizados en la construcción de condensadores, como los epoxis.

Los fabricantes de capacitores tienden a filtrar los capacitores de tantalio para identificar los dispositivos potencialmente más débiles, mediante la aplicación de pruebas como el voltaje y las pruebas de sobrecarga de corriente en una secuencia controlada.

Sin embargo, vale la pena señalar que los condensadores pueden debilitarse debido a las tensiones introducidas debido a los desajustes del coeficiente de expansión térmica (CTE) entre los materiales constituyentes: por lo tanto, las condiciones de soldadura por reflujo y el número de ciclos de reflujo al que está sujeto el condensador durante el ensamblaje del producto final puede afectar La susceptibilidad a fallos del dispositivo.

Por otro lado, la clasificación de voltaje del dispositivo, en relación con el voltaje aplicado, puede influir significativamente en la vida útil de los condensadores en general.

Por esta razón, el desarrollo reciente de los condensadores de polímero-tantalio se ha centrado en obtener valores de voltaje más altos, como 63V y más altos, para el uso con voltajes de suministro de uso común, como 24V o el riel de aviónica de 28V.

James C. Lewis es director técnico de marketing, Kemet.