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El tamaño sí importa: ventajas de los condensadores grandes

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Pese a que la miniaturización ha formado parte de la electrónica durante más de 50 años, como reflejo de los avances en las tecnologías de fabricación de semiconductores y componentes pasivos, existen límites para las dimensiones mínimas de algunos componentes. El condensador es un excelente ejemplo de componente cuyo tamaño pequeño no siempre es atractivo ya que el cumplimiento de las características eléctricas y las exigencias de seguridad implica que es posible que un componente suficientemente pequeño como para ser soldado de manera directa a la placa de circuito impreso no sea el óptimo.

 Filtrado

Los condensadores son muy utilizados para filtrado y desacoplamiento. En aplicaciones de pequeña señal, la capacidad viene determinada por la topología filtro y el rango de frecuencia del filtro. En el caso de circuitos para carriles de alimentación, los condensadores deben ser capaces de almacenar niveles muy altos de energía eléctrica y cumplir los requisitos de seguridad. Este es un ejemplo claro en el que cuanto más grande el componente, mejor, ya que la capacidad del condensador para manejar la potencia y el aislamiento integrado son más importantes que su tamaño. El tamaño, en especial la distancia mínima entre las pistas que gestionan la potencia en una placa de circuito o entre cables, es un parámetro crucial en muchas normas de seguridad, lo que lleva a muchos fabricantes a introducir mejoras en los materiales y el diseño de los componentes para aumentar el nivel de capacidad en lugar de reducir el tamaño. Muchos condensadores de gran tamaño se diseñan para el filtrado en sistemas de alimentación.

 

Condensadores de clase X y clase Y

Los condensadores de clase X y clase Y se encuentran entre los condensadores de filtro de gran tamaño que más se suelen emplear en aplicaciones de CA y a menudo se conocen como condensadores de supresión EMI/RFI o condensadores de seguridad de filtro de línea CA. Debido a los riesgos de seguridad causados por la conexión directa a la alimentación de CA en las líneas activas y el neutro (Clase Y), todos estos conectores cuentan con certificados de seguridad, y si se producen fallos, deben ocurrir de modo que se garantice la seguridad.

Los condensadores de clase Y son especialmente sensibles a las sobretensiones y a los transitorios de tensión que suele caracterizar al suministro eléctrico de electrodomésticos y aparatos industriales. Por ejemplo, la caída de un rayo cerca puede causar transitorios de tensión extremadamente altos y existe una alta probabilidad de dañar el dispositivo. No obstante, un fallo en un dispositivo de clase Y puede provocar una descarga potencialmente fatal debido a la pérdida de la conexión a tierra. Con el fin de evitar esto, los condensadores clase Y están diseñados para fallar en abierto, lo cual anula la capacidad de filtrado, pero en última instancia evita un riesgo de seguridad.

Cuando falla un condensador clase X, es muy probable que cause un cortocircuito que active a su vez un dispositivo de protección frente a sobrecorrientes, como un fusible o un disyuntor. Por consiguiente, es improbable que la falla del condensador acabe en una descarga eléctrica al usuario.

 

El nivel de propensión a fallos de un condensador depende de su construcción interna. En los condensadores cerámicos X e Y, con el paso del tiempo se pueden producir daños que debiliten el dispositivo hasta que falle.  Sin embargo, los condensadores de película metalizada, como la gama MKP3381 de Vishay o la serie B32916 de TDK (anteriormente EPCOS), incorporan capacidades de autorreparación que evitan cortocircuitos y los daños correspondientes. En el punto de fallo se forma una región aislada para que el condensador pueda recuperar casi por completo su capacidad operativa, evitando así un cortocircuito. Los dispositivos de película metalizada de tipo Y también son más propensos a fallar en abierto que los condensadores cerámicos, lo que mejora la seguridad.

La norma internacional EN 60384-14 define varios subtipos de condensadores X e Y. Los condensadores tipo X están divididos en las categorías X1, X2 y X3: Los condensadores X1 se usan en aplicaciones que exigen una gran resiliencia frente a pulsos y los X2 y X3, en aplicaciones de tipo general. Los condensadores tipo Y se clasifican de forma parecida, pero difieren según el nivel de aislamiento:  desde los condensadores de clase Y1 (hasta 500 VCA con una tensión de prueba máxima de 8 kV) hasta los de clase Y4 (de 150 VCA con una tensión de prueba máxima de 2,5 kV). Para mejorar la densidad, fabricantes como Kemet integran más de un condensador en el mismo encapsulado, por ejemplo, el PHE840M que tiene una capacidad máxima de 10 µF.

 

Corrección del factor de potencia

Los condensadores grandes también se usan con frecuencia para la corrección de factor de potencia exigida por la ley en muchos países y que puede reducir los costes del suministro eléctrico.

El factor de potencia de un sistema es la relación entre la potencia real utilizada por el sistema respecto al promedio de un ciclo de CA y su consumo máximo. Si se utilizan convertidores de potencia lineales en la etapa de entrada de un sistema, su factor de potencia suele ser cercano a 1, lo que causa algunos inconvenientes. Estos convertidores no son eficientes en comparación con las fuentes de alimentación conmutadas más avanzadas para la etapa de entrada que se utilizan en muchos sistemas; reciben potencia en ráfagas breves en lugar de para todo el ciclo de una onda de CA, lo cual da como resultado unos picos altos en relación con la potencia real y un bajo factor de potencia. Un motor de inducción de alta potencia también presentará un bajo factor de potencia a la fuente.

Los condensadores de alta tensión de 50 µF o más por fase de CA se pueden usar en los módulos de corrección del factor de potencia que se suelen instalar en paralelo al equipo del usuario con el fin de mejorar la densidad de la capacidad y facilitar el diseño. Fabricantes como TDK y Kemet ofrecen condensadores con terminales para las tres fases, cada uno conectado a un módulo de capacidad interna por separado.

  

Supresión

Los condensadores grandes son muy valiosos para filtrar y suprimir picos en el sistema, sobre todo para cargas altamente inductivas como en el control de motores. Los condensadores de película de polipropileno, similares a aquellos que se usan a menudo para la corrección del factor de potencia, son una opción efectiva en aplicaciones de supresión de picos debido a sus capacidades de autorrecuperación, bajas pérdidas y alto aislamiento. Los tamaños de estos dispositivos pueden variar entre varios cientos de nanofaradios y cientos de microfaradios y existen productos de diversos fabricantes, como Kemet, TDK, Vishay y Wima.

Los motores pueden consumir altas corrientes durante el arranque y cuando se detienen súbitamente. Este suele suponer un problema en concreto para los sistemas de alimentación por baterías a los que les puede costar suministrar la corriente instantánea requerida. La incorporación de grandes condensadores capaces de suministrar grandes pulsos de corriente ofrece la capacidad de responder a esos eventos y evitar caídas de tensión en otras partes del sistema. Los condensadores electrolíticos, como la gama MS/MD de Kemet de condensadores electrolíticos de aluminio, generalmente ofrecen la baja resistencia serie y la capacidad necesaria para respaldar al sistema durante los milisegundos de una demanda de corriente máxima.

Los relés de alta corriente en un sistema representan otra fuente de picos de energía que se deben suprimir: arcos a lo largo de los contactos cuando el relé se abre o se cierra. Si no se controla, la repetición de los arcos erosiona los contactos del relé hasta causar fallos. Un condensador conectado en paralelo a la carga del relé suprime los arcos porque se puede cargar y descargar más rápido que el tiempo que tarda el relé en conmutar. Como sucede con otras aplicaciones de filtrado y supresión de alta potencia, los condensadores efectivos usan una construcción de película o lámina metalizada. Como el tiempo de carga es un aspecto fundamental, la selección de los componentes debe tener en cuenta la relación entre la capacidad requerida y la resistencia serie efectiva.  Además, como muchos condensadores de película ofrecen una ESR inferior a la requerida para un circuito de supresión típico, a menudo se conecta en serie una resistencia de valor bajo.

 

Conclusión

Como la supervivencia a elevados picos de tensión y corriente y gestionar altos niveles de potencia a largo plazo son cruciales para muchas aplicaciones, los condensadores de gran tamaño y gran capacidad son esenciales. Los fabricantes continúan trabajando en aumentar el rendimiento y en introducir mejoras de la densidad de los sistemas mediante el coencapsulado, pero en estas aplicaciones el tamaño reducido no resulta atractivo ya que las decisiones de diseño son una cuestión de capacidad.

 

 

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