Los capacitores electrolíticos se utilizan en una infinidad de aplicaciones. A pesar de las diversas tecnologías modernas que cada día se aplica en los equipos electrónicos, los capacitores electrolíticos no han cambiado mucho en los últimos 50 años, y algunos de sus puntos críticos necesitan ser tenidos en cuenta para utilizar correctamente estos componentes. Vea en este artículo cómo se puede hacer.
Los capacitores electrolíticos no han cambiado mucho en los últimos 50 años. Su principio de funcionamiento sigue siendo el mismo, y los avances que tenemos se refieren al uso de nuevos materiales y nuevas arquitecturas internas.
Sin embargo, las propiedades básicas se mantienen, el principio de funcionamiento es el mismo, y con eso los cuidados que debemos tener al usarlos no han cambiado mucho. En otras palabras, los capacitores electrolíticos todavía son componentes críticos que merecen especial atención al ser usados.
En realidad, estos cuidados deben ser redoblados pues los circuitos modernos, además de operar con señales mucho más complejas y problemáticas, todavía están ligados a una red de energía que, por el uso de equipos electrónicos de potencia con fuentes claves se encuentra cada vez más contaminada .
Para que podamos entender mejor los capacitores vamos a partir de su modelo eléctrico mostrado en la figura 1.
En este modelo ESL es la "Equivalent Series Indcutance" o Inductancia Equivalente en serie.
ESR es la Equivalent Series Resistance o Resistencia equivalente en serie. R es la resistencia de fuga y C la capacitancia del componente propiamente dicha.
Sin embargo, lo que es más problemático cuando tomamos en cuenta ese circuito equivalente es que las grandezas involucradas no son fijas.
Así la resistencia equivalente, así como las demás magnitudes parásitos varían tanto con la tensión aplicada, con la frecuencia y con la temperatura del componente.
Para que el lector tenga una idea, en la figura 2, mostramos cómo la capacitancia de un capacitor electrolítico común varía con la temperatura.
En la figura 3 tenemos la variación de la capacitancia con la frecuencia de la corriente con él trabaja.
Además, la presencia de una inductancia y una capacitancia en serie en el circuito equivalente, hace que el componente tenga una frecuencia de resonancia que se muestra en el gráfico de la figura 4.
Para los capacitores comunes esta frecuencia está entre 1,5 kHz y 150 kHz.
Si el capacitor opera en un circuito en el que la frecuencia de la señal es mayor que la frecuencia de resonancia, se comportará común un inductor.
Evidentemente, esto hará que no pueda desacoplar señales, o darles paso, si esa es la función en el circuito.
Ver que esta banda de frecuencias está dentro de la operación de la mayoría de las fuentes conmutadas.
Otro punto crítico a considerar es que los capacitores generan calor cuando están en funcionamiento.
Esto significa que los capacitores que operan con señales de alta potencia deben montarse y así poder deshacerse del calor generado. La figura 5 muestra cómo se puede hacer, utilizando una técnica similar a la empleada por la mayoría de los componentes de potencia.
El componente se mantiene alejado de la placa de circuito impreso.
De la misma forma la naturaleza líquida del electrolito hace que los capacitores sean sensibles al calor externo.
No se debe nunca montar un capacitor electrolítico muy cerca de un componente que genere mucho calor.
Finalmente todavía debemos considerar que un capacitor electrolítico tiene la capacitancia especificada para una determinada tensión. ¡La capacitancia cambia con la tensión!
Conexión de capacitores en serie
Aprendemos ya en los cursos básicos de física que, en la conexión en serie de capacitores, las tensiones entre esos componentes se dividen de acuerdo con sus valores, como muestra la figura 6.
Esto significa que dos capacitores ideales del mismo valor, conectados en serie dividen la tensión de una fuente por dos, como muestra la figura 7.
Sin embargo, los capacitores no son ideales y las tolerancias típicas de hasta +/- 20% pueden hacer que la tensión se distribuya de modo desigual entre esos componentes, como muestra la figura 8.
Tomando como ejemplo dos capacitores de 20% de tolerancia conectados en serie, podemos calcular en la situación de peor caso, la tensión en uno de ellos puede llegar a 420 V.
Esto se produce en el capacitor de menor valor dentro del rango de tolerancias indicadas.
Una forma de ayudar a dividir correctamente la tensión entre dos capacitores conectados en serie consiste en el uso de resistores conectados como muestra la figura 9.
Si varios capacitores se conectan en conjuntos tipo serie, los resistores para dividir la tensión se pueden conectar como se muestra en la figura 10.
Una fórmula simple permite calcular los valores de las resistencias que se deben utilizar en este tipo de aplicación:
R = 1000 / (0,015 x C)
Donde R es el valor de la resistencia en ohms
C es la capacitancia en microfarads
Por ejemplo, para capacitores de 4 700 uF encontramos el valor recomendado de resistencia para esta aplicación 14 k ohms.
Es importante que los resistores usados en este tipo de aplicación sean de excelente calidad, pues si fallan, pueden ocurrir problemas con los capacitores. Los tipos con tolerancias del 5% son los recomendados.
Prolongando la Vida de un Capacitor
La red de energía está llena de transitorios y surtos que pueden ser peligrosos para dispositivos semiconductores delicados, así como para un capacitor.
Los capacitores electrolíticos se destruyen si se somete a sobretensiones.
Para evitar que un capacitor electrolítico sea destruido debemos considerar tanto los brotes como los transitorios, los cuales se muestran en el gráfico de la figura 11.
En esta figura tenemos Ur que es la tensión especificada para el componente.
Ut es la tensión de transitorio, siendo que para el caso de los capacitores se expresa para 1000 pulsos aplicados aleatoriamente durante la vida útil del componente.
Us es la tensión de brote, siendo especificada para 1000 ciclos durante un período de 30 segundos.
Así, en un circuito como el de la figura 12, en que tenemos una bobina y un capacitor, el cierre del interruptor causa una oscilación de tensión peligrosa hacia el capacitor.
Esta oscilación tiene la forma de onda mostrada en la figura 13.
Observe que, por un intervalo de tiempo considerable, la tensión en el capacitor supera en mucho la tensión nominal (Un) en el capacitor y esto puede ser suficiente para causar su destrucción.
Una solución adoptada en un circuito como este para evitar problemas consiste en el "soft start" (arranque suave) con el uso de una resistencia, como muestra la figura 14.
Conclusión:
Los capacitores electrolíticos son componentes tan sensibles (si no más) que los propios dispositivos semiconductores
Su tecnología de fabricación avanza, pero el diseñador todavía debe tomar mucho cuidado con estos componentes en el sentido de no causar su destrucción o convertirlo en un punto crítico en un proyecto.
Lo que hemos visto son algunos ejemplos de los puntos que deben ser observados al usar un capacitor electrolítico, principalmente en las aplicaciones industriales en que transitorios , sobretensiones, brotes y otros problemas sean comunes.