Reduzca el tamaño de la placa y el tiempo de comercialización utilizando condensadores ultrafinos, de alta capacidad y de fabricación estadounidense

Los ingenieros de diseño de hardware siempre buscan oportunidades para reducir el costo, el tamaño y el peso de los componentes, al tiempo que cumplen o superan los objetivos de eficiencia y fiabilidad de los componentes y sistemas. Uno de los componentes más comunes y críticos para la optimización son los condensadores montados en placas de circuito impreso debido a su volumen y amplio uso. La fiabilidad también debe ser un factor a tener en cuenta a la hora de seleccionar un condensador debido a su susceptibilidad a las fugas y a la degradación de la capacidad con el paso del tiempo cuando se somete a temperaturas extremas. Esta degradación puede provocar fallos intermitentes en los circuitos, comprometiendo la eficiencia y la fiabilidad del sistema.

Aunque los proveedores de condensadores siguen mejorando los diseños para aumentar la densidad energética, la fiabilidad y el peso, es posible que la pieza óptima para una aplicación no esté disponible debido a los largos plazos de entrega causados por los problemas de la cadena de suministro.

Este artículo analiza el papel de los condensadores de filtro y de almacenamiento a granel. Muestra cómo un único condensador puede sustituir a otros tipos de condensadores, como un conjunto de condensadores de montaje superficial, lo que permite reducir los componentes de la placa y las interconexiones del circuito, mejorando la fiabilidad general del mismo. En el proceso, introduce condensadores electrolíticos de aluminio de alta fiabilidad de Cornell Dubilier Electronics que tienen la doble ventaja de un perfil delgado y una densidad de energía muy alta. Dado que los condensadores se fabrican en EE. UU. y están disponibles para su envío rápido a las instalaciones de producción norteamericanas, los condensadores también pueden ofrecer una vía para acortar los plazos de entrega.

Fiabilidad de los condensadores montados en placa

La vida útil de un condensador electrolítico viene determinada por la tasa de degradación electroquímica de su estructura interna a lo largo del tiempo. Como esta degradación es predecible en condiciones típicas de funcionamiento, el fabricante puede calcular fácilmente la vida útil de un condensador. La fiabilidad de un condensador es una medida de lo cerca que está la vida real de un condensador de su vida esperada frente a las variaciones de construcción o la exposición a condiciones extremas.

Aunque la vida útil de los condensadores grandes y pequeños es más o menos la misma, los más pequeños son más fiables, ya que hay menos superficie entre el ánodo y el cátodo. Cuanto más grande sea el condensador, mayor será la fiabilidad a la hora de seleccionarlo, así como su disponibilidad. En el momento de redactar este artículo, hay problemas en la cadena de suministro de componentes electrónicos, incluidos retrasos en muchos envíos internacionales. Por ello, la disponibilidad y el plazo de entrega se han convertido en criterios fundamentales para la selección de componentes electrónicos.

Los condensadores no están sujetos a las optimizaciones de tamaño comunes a muchos semiconductores, en el sentido de que el tamaño de un condensador no puede reducirse mediante la contracción a una geometría de proceso más pequeña. Debido a la física del diseño de los condensadores, cuanto mayor sea la capacidad del condensador en faradios (F), mayor será la superficie entre el ánodo y el cátodo, de ahí su mayor tamaño físico. Los condensadores de montaje vertical, también llamados V-chips, son opciones de empaquetado populares para ahorrar espacio en la placa, con la contrapartida de un perfil de placa más alto y menos espacio libre que puede afectar a las opciones de empaquetado de los componentes cercanos.

La posición de montaje de un condensador electrolítico de aluminio de gran tamaño también puede afectar a la fiabilidad. Los condensadores grandes pueden calentarse y requerir un flujo de aire o incluso un disipador de calor en algunas condiciones. La tensión continua aplicada, la corriente de rizado y las temperaturas extremas del entorno acortan su vida útil debido a la deriva paramétrica. Normalmente, la resistencia efectiva en serie (ESR) de un condensador es el primer parámetro que se desvía de las especificaciones de la hoja de datos. A medida que la ESR aumenta, el condensador se calentará progresivamente. En última instancia, falla cuando se calienta tanto que su estructura interna se rompe y pone en cortocircuito el ánodo y el cátodo. En muy raras ocasiones, el calor seca el condensador y se convierte en un circuito abierto.

La degradación de los condensadores en un sistema puede aparecer primero como fallos aleatorios, que rápidamente se convierten en fallos del sistema cuando el condensador entra en cortocircuito. Este problema se amplía en el caso de las baterías de condensadores conectadas en serie o en paralelo; si falla un condensador, falla toda la batería. Las baterías de condensadores reducen la fiabilidad del sistema porque la tasa de fallos de la batería es la tasa de fallos de un condensador multiplicada por el número de condensadores de la batería. Por esta razón, en los diseños de alta fiabilidad se desaconsejan las baterías de condensadores en favor de un gran condensador.

Condensadores de alta fiabilidad y alta densidad

Para aplicaciones de espacio reducido y alta fiabilidad, Cornell Dubilier suministra los condensadores electrolíticos de aluminio THA y THAS Thinpack. Diseñados para una densidad de energía muy alta con un paquete delgado y de bajo perfil, los condensadores tienen una carcasa soldada con láser que encierra el condensador electrolítico para evitar fugas. Esta soldadura láser elimina la necesidad de utilizar grandes juntas de sellado de los extremos que se utilizan ampliamente para sellar los extremos de la mayoría de los condensadores electrolíticos. Una válvula en la caja permite la ventilación de gases, aliviando la presión interna que reduce la hinchazón. La línea THA tiene un grosor de 8,2 milímetros (mm) y la línea THAS de 9 milímetros (mm). El diseño de los condensadores THA y THAS garantiza 5,000 horas de funcionamiento a 85 °C y 105 °C, respectivamente. Tienen una densidad energética de 0.9 joules por centímetro cúbico (J/cm³).

Para muchas aplicaciones de filtrado y control de motores, los diseñadores pueden utilizar el condensador THAS131M450AD0C de la serie THAS de 130 microfaradios (µF) (Figura 1). El condensador mide 66.5 mm de largo y sólo 25.4 mm de ancho. Como ya se ha mencionado, los condensadores de la serie THAS tienen un grosor de sólo 9 mm, por lo que, una vez asentados, permiten un perfil de placa muy bajo. Con una potencia de 450 voltios, la serie es adecuada para aplicaciones de control de motores y fuentes de alimentación compactas. Como la serie es tan delgada, también es apropiada para ordenadores portátiles o aparatos electrónicos de bajo perfil similares en los que el espacio para los componentes es muy limitado. El condensador también puede montarse verticalmente en una placa de circuito impreso para ahorrar espacio, en comparación con otros condensadores similares.

Figura 1: El condensador THAS131M450AD0C de 130 µF tiene una tensión nominal de 450 voltios y un grosor de sólo 9 mm, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de control de motores y de placas de PC de bajo perfil. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier)

Con 130 µF, el THAS131M450AD0C puede utilizarse para sustituir bancos de condensadores más pequeños para mejorar la fiabilidad. La ESR del THAS131M450AD0C a 25 °C es de 1.12 ohmios (Ω) a 120 hercios (Hz), que desciende a 0.54 Ω a 20 kilohercios (kHz). Su baja ESR lo hace apropiado para las fuentes de alimentación conmutadas en las que se debe minimizar la generación de calor. La corriente de ondulación a 85 °C es de 1.36 amperios (A), también importante para las fuentes de alimentación.

Como parte de la familia de productos THAS de Cornell Dubilier, el condensador THAS131M450AD0C tiene un manguito de acero inoxidable para mejorar su durabilidad. Sus terminales son de 20 AWG, adecuados para la mayoría de las aplicaciones de montaje de placas de circuito impreso con orificios pasantes.

Para las aplicaciones en las que es necesario almacenar tensión durante un corto periodo de tiempo, los diseñadores pueden recurrir al condensador de 3200 µF y 50 voltios de la serie THAS322M050AD0C. También tiene 66.5 mm de longitud y un grosor de 9 mm y cuenta con un manguito de acero inoxidable. La ESR a 120 Hz es de 0.05 Ω, que baja ligeramente a 0.04 Ω a 20 kHz. Puede manejar una corriente de rizado de 3.48 A a 20 kHz y 2.90 A a 20 Hz. Con esta baja ESR y la capacidad de alta corriente, es apropiado para su uso como supercondensador de 50 voltios para suministrar temporalmente energía a un pequeño circuito si la fuente de alimentación principal no está disponible.

Como todos los condensadores THAS de Cornell Dubilier, el THAS322M050AD0C tiene un respiradero en la parte superior, que se muestra claramente en la figura 2. El respiradero permite que el gas salga del condensador como parte del funcionamiento normal, aunque la gasificación puede aumentar bajo altas temperaturas. El gas expulsado es una mezcla de hidrógeno y gases residuales.

Figura 2: La ventilación que se ve en la parte superior del condensador THAS322M050AD0C permite que los gases internos que se acumulan durante el funcionamiento normal salgan de forma segura. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier)

La ventilación de los gases internos es importante, especialmente en los condensadores de alto valor. El hidrógeno y otros gases pueden acumularse en el interior de la carcasa de acero, generando una presión que puede provocar un fallo. Si un condensador no tiene suficiente ventilación, los gases internos pueden acumularse hasta un punto en el que el electrolito puede filtrarse a la placa de circuito impreso y provocar un cortocircuito en otros componentes electrónicos o, en algunos casos, el condensador puede incluso explotar. Sin embargo, es importante que al colocar la placa de circuito impreso te asegures de que el respiradero del condensador no esté obstruido.

Para una mayor capacidad de carga, Cornell Dubilier desarrolló la serie THA. Los condensadores THA Thinpack tienen mangas de aluminio y, con 8.2 mm de grosor, son ligeramente más delgados que la serie THAS. Un ejemplo de la serie THA es el THA442M035AC0C de 4400 µF y 50 voltios. Tiene 53.8 mm de longitud y ofrece una densidad de energía muy alta en comparación con condensadores similares. Tiene una ESR de 0.07 Ω a 120 Hz y de 0.06 Ω a 20 kHz, lo que lo hace apropiado para su uso como fuente de alimentación temporal para pequeños aparatos electrónicos durante breves interrupciones del suministro eléctrico. Un condensador de 4400 µF también puede calentarse mucho, por lo que es importante proporcionar un flujo de aire adecuado para mantenerlo dentro de su rango de funcionamiento recomendado, que es de -55 °C a +85 °C. En el caso de los condensadores de gran valor, es aún más importante asegurarse de que la ventilación no tenga obstrucciones. También se recomienda que el respiradero no apunte hacia nada inflamable, ya que el gas hidrógeno es explosivo.

Conclusión:

Los condensadores son componentes críticos en los sistemas electrónicos. Al combinar una alta fiabilidad con una alta densidad energética y un perfil bajo, los diseñadores pueden reducir el tamaño y mejorar la vida útil de los sistemas electrónicos. Un único condensador electrolítico de alta densidad energética, fabricado en EE. UU., puede evitar largos plazos de entrega y sustituir bancos de condensadores para ahorrar espacio en la placa.

Recursos

1. Módulo de formación de condensadores electrolíticos de aluminio THA y THAS Thinpack