Condensador de polímero

La aplicación predominante de todos los condensadores electrolíticos es en las fuentes de alimentación . Se utilizan como condensadores de suavizado de entrada y salida, como condensadores de desacoplamiento para hacer circular la corriente armónica en un bucle corto, como condensadores de derivación para derivar el ruido de CA a tierra al derivar las líneas de alimentación, como condensadores de respaldo para mitigar la caída en el voltaje de línea durante una demanda repentina de energía o como condensador de filtro en un filtro de paso bajo para reducir el ruido de conmutación. ^{[ 18 ]} En estas aplicaciones, además del tamaño, la capacitancia, la impedancia Z , la ESR y la inductancia ESL son características eléctricas importantes para la funcionalidad de estos condensadores en los circuitos.

La transición a los equipos electrónicos digitales propició el desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas con frecuencias más altas y convertidores CC/CC integrados , voltajes de alimentación más bajos y corrientes de alimentación más altas. Los condensadores para estas aplicaciones requerían valores de ESR más bajos, lo que en aquel entonces, con los condensadores de aluminio, solo se podía lograr con encapsulados de mayor tamaño o sustituyéndolos por condensadores sólidos de tantalio, mucho más caros.

La razón por la que la ESR influye en la funcionalidad de un circuito integrado es sencilla. Si el circuito (por ejemplo, un microprocesador ) tiene una demanda de potencia repentina, la tensión de alimentación cae debido a la ESL, la ESR y la pérdida de carga capacitiva. Porque en caso de una demanda de corriente repentina, la tensión de la línea de alimentación cae:

Δ U = ESR × I .

Por ejemplo: ^{[ 4 ]}

Dado un voltaje de alimentación de 3  V, con una tolerancia del 10 % (300  mV) y una corriente de alimentación de un máximo de 10  A, una demanda repentina de energía hace que el voltaje caiga en

ESR = U / I = (0,3  V)/(10  A) = 30  mΩ.

Esto significa que la ESR en una fuente de alimentación de CPU debe ser inferior a 30  mΩ; de lo contrario, el circuito falla. Reglas similares son válidas para la capacitancia y la ESL. La capacitancia específica podría incrementarse con el tiempo mediante láminas de ánodo grabadas con mayor precisión o mediante granos de polvo de tantalio más pequeños y finos, en un factor de 10 a 15, y podría seguir la tendencia de la miniaturización. El desafío de la ESL ha llevado a las versiones de láminas apiladas de condensadores electrónicos de polímero de aluminio. Sin embargo, para reducir la ESR, solo el desarrollo de nuevos materiales conductores sólidos, primero el TCNQ y luego los polímeros conductores, que llevaron al desarrollo de los condensadores de electrolito polimérico con sus valores de ESR muy bajos, podría superar el desafío de la ESR en la digitalización de circuitos electrónicos.

Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de ciertos metales especiales, anteriormente denominados "metales de válvula", que mediante oxidación anódica forman una capa de óxido aislante. Al aplicar un voltaje positivo al material del ánodo (+) en un baño electrolítico, se puede formar una capa de óxido con un espesor correspondiente al voltaje aplicado. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico. Para aumentar la capacitancia del condensador, se rugosiza la superficie del ánodo y, por lo tanto, también la superficie de la capa de óxido. Para completar un condensador, un contraelectrodo debe coincidir con la superficie rugosa del óxido aislante. Esto se logra mediante el electrolito, que actúa como electrodo de cátodo (-) de un condensador electrolítico. La principal diferencia con los condensadores de polímero radica en el material del ánodo y su óxido utilizado como dieléctrico.

• Los condensadores electrolíticos de tantalio polimérico utilizan polvo de tantalio sinterizado de alta pureza como ánodo con pentóxido de tantalio (Ta ₂ O ₅ ) como dieléctrico y
• Los condensadores electrolíticos de aluminio polimérico utilizan una lámina de aluminio de alta pureza y grabada electroquímicamente (rugosa) como ánodo, con _óxido de aluminio ( _Al₂O₃ ) como dieléctrico .

Las propiedades de la capa de óxido de aluminio en comparación con la capa dieléctrica de pentóxido de tantalio se muestran en la siguiente tabla:

En principio, cada condensador electrónico forma un "condensador de placas" cuya capacitancia es una función creciente del área del electrodo A, la permitividad ε del material dieléctrico y el espesor del dieléctrico (d).

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

La capacitancia es proporcional al producto del área de una placa multiplicada por la permitividad y dividida por el espesor del dieléctrico.

El espesor dieléctrico se encuentra en el rango de nanómetros por voltio. Por otro lado, la tensión de ruptura de estas capas de óxido es bastante alta. Mediante el uso de ánodos grabados o sinterizados, con una superficie mucho mayor en comparación con una superficie lisa del mismo tamaño o volumen, los condensadores electroquímicos pueden alcanzar una alta capacitancia volumétrica. Los últimos avances en ánodos grabados o sinterizados de alta capacitancia aumentan el valor de capacitancia, dependiendo de la tensión nominal, hasta en un factor de 200 para condensadores electroquímicos de Al o Ta en comparación con ánodos lisos. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

Dado que la tensión de formación define el espesor del óxido, se puede lograr fácilmente la tolerancia de tensión deseada. Por lo tanto, el volumen de un condensador se define por el producto de la capacitancia y la tensión, el llamado "producto CV".

Comparando las constantes dieléctricas de los óxidos de tantalio y aluminio, el Ta₂O₅ _{tiene una} permitividad _{aproximadamente} tres veces mayor que el Al₂O₃ _. Por lo tanto, teóricamente, los condensadores de tantalio pueden ser más pequeños que los de aluminio con la misma capacitancia y tensión nominal. En el caso de los condensadores electrolíticos de tantalio reales, el espesor de la capa de óxido es mucho mayor que la tensión nominal que requiere el condensador. Esto se hace por motivos de seguridad para evitar cortocircuitos derivados de la cristalización por campo. Por esta razón, las diferencias reales de tamaño que se derivan de las diferentes permitividades son parcialmente irrelevantes. ^{[ 26 ]}

La propiedad eléctrica más importante de un electrolito en un condensador electrolítico es su conductividad eléctrica . El electrolito forma el contraelectrodo, el cátodo . Las estructuras rugosas de la superficie del ánodo se extienden a la estructura de la capa de óxido, el dieléctrico, por lo que el cátodo debe adaptarse con precisión a dicha estructura rugosa. Con un electrolito líquido, como en los condensadores electrolíticos convencionales "húmedos", esto es fácil de lograr. En los condensadores electrolíticos de polímero, donde un polímero conductor sólido forma el electrolito, esto es mucho más difícil de conseguir, ya que su conductividad se obtiene mediante un proceso químico de polimerización. Sin embargo, las ventajas de un electrolito de polímero sólido, la ESR significativamente menor del condensador y la baja dependencia de la temperatura de los parámetros eléctricos, justifican en muchos casos los pasos de producción adicionales, así como los mayores costes.

Electrolito de sal conductora TCNQ

Los condensadores electrolíticos con la sal de transferencia de carga tetracianoquinodimetano TCNQ como electrolito, fabricados anteriormente por Sanyo con el nombre comercial "OS-CON", en el verdadero sentido del término "polímero", no eran "condensadores de polímero". Se mencionan aquí los condensadores electrolíticos TCNQ para señalar el peligro de confusión con los condensadores de polímero "reales", que se venden actualmente con el mismo nombre comercial OS-CON. Los condensadores OS-CON originales con electrolito TCNQ vendidos por el antiguo fabricante Sanyo se descontinuaron con la integración de los negocios de condensadores de Sanyo por Panasonic en 2010. ^{[ 27 ]} Panasonic mantiene el nombre comercial OS-CON pero cambia el electrolito TCNQ por un electrolito de polímero conductor (PPy). ^{[ 28 ]}

Los condensadores electrolíticos con electrolito TCNQ ya no están disponibles.

Polipirrol PPy

El polipirrol (PPy) es un polímero conductor formado por polimerización oxidativa del pirrol . Un agente oxidante adecuado es el cloruro de hierro (III) (FeCl₃ ₎ . Se pueden utilizar agua, metanol, etanol, acetonitrilo y otros disolventes polares para la síntesis de PPy. ^{[ 34 ]} Como electrolito polimérico conductor sólido, alcanza conductividades de hasta 100 S /m. El polipirrol fue el primer polímero conductor utilizado en los encapsulados de polímero Al-e-caps, así como en los encapsulados de polímero Ta-e-caps. 

El problema con la polimerización del PPy radicaba en la velocidad de reacción. Al mezclar pirrol con los agentes oxidantes deseados a temperatura ambiente, la reacción de polimerización comienza de inmediato. Por lo tanto, el polipirrol empieza a formarse antes de que la solución química pueda penetrar en los poros del ánodo. La velocidad de polimerización puede controlarse mediante enfriamiento criogénico o polimerización electroquímica.

El método de enfriamiento requiere un gran esfuerzo técnico y es desfavorable para la producción en masa . En la polimerización electroquímica, primero se debe aplicar una capa de electrodo auxiliar sobre el dieléctrico y conectarla al ánodo. ^{[ 33 ]} Para este propósito, se agregan dopantes iónicos a las sustancias básicas del polímero, formando una capa superficial conductora sobre el dieléctrico durante la primera impregnación. Durante los ciclos de impregnación subsiguientes, la polimerización in situ puede controlarse en el tiempo mediante el flujo de corriente después de aplicar un voltaje entre el ánodo y el cátodo. Con este método se puede lograr una película de polipirrol fina y estable sobre la capa de óxido dieléctrico del ánodo. ^{[ 35 ]} Sin embargo, ambos métodos de polimerización in situ son complejos y requieren múltiples pasos de polimerización repetitivos que aumentan los costos de fabricación.

El electrolito de polipirrol tiene dos desventajas fundamentales. Es tóxico en la producción de condensadores y se vuelve inestable a las temperaturas de soldadura más altas requeridas para soldar con soldaduras sin plomo. ^{[ 33 ]}

Politiofeno PEDOT y PEDOT:PSS

El poli(3,4-etilendioxitiofeno) , abreviado PEDOT o PEDT ^{[ 33 ]} , es un polímero conductor basado en el monómero 3,4-etilendioxitiofeno o EDOT. El PEDOT se polariza mediante la oxidación del EDOT con cantidades catalíticas de sulfato de hierro(III) . La reoxidación del hierro se produce con persulfato de sodio ^{[ 36 ]} . Las ventajas del PEDOT son su transparencia óptica en estado conductor , su no toxicidad, su estabilidad hasta temperaturas de 280  °C y una conductividad de hasta 500 S /m ^{[ 33 ]} . Su resistencia al calor permite fabricar condensadores de polímero que soportan las altas temperaturas requeridas para la soldadura sin plomo. Además, estos condensadores tienen mejores valores de ESR que los condensadores electrónicos de polímero con electrolito de PPy ^{[ 33 ] .} 

Los métodos difíciles de polimerización in situ de PEDOT en los ánodos de los capacitores inicialmente eran los mismos que con el polipirrol. Esto cambió con el desarrollo de dispersiones prepolimerizadas de PEDOT en las que los ánodos de los capacitores podían simplemente sumergirse y luego secarse a temperatura ambiente. Para ello, se añaden productos químicos de PEDOT con poliestireno sulfonato de sodio (PSS) y se disuelven en agua. ^{[ 37 ]} La capa polimérica completa sobre el dieléctrico está entonces compuesta por partículas prepolimerizadas de la dispersión. Estas dispersiones se conocen como PEDOT:PSS, nombres comerciales Baytron P® ^{[ 38 ]} y Clevios™, ^{[ 39 ]} protegiendo las valiosas propiedades del PEDOT. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Las dispersiones de PEDOT:PSS están disponibles en diferentes variantes. Para capacitores con altos valores de capacitancia, con láminas de ánodo de aluminio altamente rugosas o polvos de tantalio de grano fino, se ofrecen dispersiones con tamaños de partícula muy pequeños. El tamaño promedio de estas partículas prepolimerizadas es de aproximadamente 30  nm, lo suficientemente pequeño como para penetrar los capilares más finos del ánodo. Se ha desarrollado otra variante de dispersión de PEDOT:PSS con partículas prepolimerizadas más grandes, lo que da como resultado una capa de polímero relativamente gruesa para crear una protección envolvente de la celda capacitiva de capacitores de polímero rectangulares de Ta y Al contra el estrés mecánico y eléctrico. ^{[ 33 ] [ 39 ]}

Con dispersiones de PEDOT:PSS, los condensadores electrolíticos de aluminio polimérico producidos son adecuados para alcanzar valores de tensión nominal más altos de 200  V ^{[ 42 ]} y 250  V ^{[ 43 ].} Además, los valores de corriente de fuga de los condensadores electrolíticos poliméricos, que se producen con estas dispersiones, son significativamente más bajos que los de los condensadores poliméricos que tienen capas de polímero polimerizadas in situ. Sin embargo, más allá de los mejores valores de ESR, mayor estabilidad de temperatura y menores valores de corriente de fuga, se encuentra la facilidad de fabricación de condensadores poliméricos con las dispersiones de PEDOT:PSS prepolimerizadas, que en tan solo tres inmersiones tienen una cobertura casi completa del dieléctrico con una capa de polímero conductor. Este enfoque ha reducido significativamente los costos de producción ^{[ 37 ] .}

A principios de la década de 1990, los condensadores de tantalio poliméricos coincidieron con la aparición de dispositivos planos como teléfonos móviles y ordenadores portátiles que utilizaban tecnología de ensamblaje SMD. La superficie de base rectangular permite maximizar el espacio de montaje, algo imposible con superficies de base redondas. La celda sinterizada se puede fabricar de forma que el componente final tenga la altura deseada, generalmente la misma que la de otros componentes. Las alturas típicas oscilan entre 0,8 y 4  mm.

Nuevos diseños: reducción de ESR y ESL

La reducción de la ESR y la ESL sigue siendo un objetivo principal de investigación y desarrollo para todos los condensadores de polímero. Algunas medidas constructivas también pueden tener un impacto significativo en los parámetros eléctricos de los condensadores. Se pueden lograr valores de ESR más pequeños, por ejemplo, mediante la conexión en paralelo de varias celdas de condensador convencionales en una misma carcasa. Tres condensadores en paralelo con una ESR de 60  mΩ cada uno tienen una ESR resultante de 20  mΩ. Esta tecnología se denomina construcción de "anódo múltiple" y se utiliza en condensadores de tantalio de polímero de muy baja ESR. ^{[ 47 ] [ 48 ]} En esta construcción se conectan hasta seis ánodos individuales en una misma carcasa. Este diseño se ofrece como condensadores de chip de tantalio de polímero, así como condensadores de chip de tantalio de menor costo con electrolito de MnO _2. Los condensadores de tantalio de polímero de anódo múltiple tienen valores de ESR en el rango de miliohmios de un solo dígito.

Otra medida constructiva sencilla modifica la inductancia parásita del condensador, la ESL. Dado que la longitud de los terminales internos de la carcasa del condensador representa una gran parte de la ESL total, la inductancia del condensador puede reducirse disminuyendo la longitud de los terminales internos mediante la sinterización asimétrica del terminal del ánodo. Esta técnica se denomina construcción "boca abajo". Debido a la menor ESL de esta construcción boca abajo, la resonancia del condensador se desplaza a frecuencias más altas, lo que permite tener en cuenta los cambios de carga más rápidos de los circuitos digitales con frecuencias de conmutación cada vez mayores. ^{[ 49 ]}

Los condensadores de chip de tantalio polimérico con estas nuevas mejoras de diseño, que reducen tanto la ESR como la ESL, alcanzan propiedades que se aproximan cada vez más a las de los condensadores MLCC.

Condensadores cilíndricos de polímero y aluminio basados ​​en la técnica de condensadores electrolíticos de aluminio bobinados con electrolitos líquidos. Están disponibles únicamente con aluminio como material de ánodo.

Están diseñados para valores de capacitancia mayores que los de los condensadores de polímero rectangulares. Gracias a su diseño, su altura puede variar en una superficie de montaje determinada, lo que permite obtener valores de capacitancia mayores con una carcasa más alta sin aumentar la superficie de montaje. Esto resulta especialmente útil para placas de circuito impreso sin límite de altura.

condensadores híbridos de polímero y aluminio

Los condensadores híbridos de polímero solo están disponibles en construcción cilíndrica, lo que corresponde a los condensadores Al-e-cap cilíndricos de polímero descritos anteriormente, con terminales radiales (de un solo extremo) o con placa base en la versión SMD (V-chip). La diferencia radica en que el polímero solo recubre la superficie de la estructura rugosa del dieléctrico Al₂O₃ _{y la} superficie de la lámina del cátodo en capas delgadas. De esta manera , las partes de alta resistencia en los pequeños poros de la lámina del ánodo pueden volverse de baja resistencia para reducir la ESR del condensador. Como conexión eléctrica entre ambas capas de polímero, se utiliza un electrolito líquido, como en los condensadores Al-e-cap húmedos convencionales que impregnan el separador. La pequeña distancia que recorre el electrolito no sólido aumenta ligeramente la ESR, aunque no de forma drástica. La ventaja de esta construcción es que el electrolito líquido, durante el funcionamiento, proporciona el oxígeno necesario para la autorreparación de la capa dieléctrica en presencia de pequeños defectos.

La corriente que fluye a través de un pequeño defecto produce un calentamiento selectivo que normalmente destruye la película de polímero suprayacente, aislando, pero no reparando, el defecto. En los condensadores híbridos de polímero, el líquido puede fluir hacia el defecto, aportando oxígeno y reparando el dieléctrico mediante la generación de nuevos óxidos, lo que disminuye la corriente de fuga. Los condensadores híbridos de polímero Al-e-caps presentan una corriente de fuga mucho menor que los condensadores estándar de polímero Al-e-caps.

El electrolito polimérico, los dos materiales de ánodo diferentes (aluminio y tantalio) y los distintos diseños dieron lugar a múltiples familias de condensadores electrolíticos poliméricos con diferentes especificaciones. A modo de comparación, también se incluyen los parámetros básicos de los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso.

(Datos de abril de 2015)

Las propiedades eléctricas de los condensadores de polímero se comparan mejor utilizando capacitancia, tensión nominal y dimensiones consistentes. Los valores de la ESR y la corriente de rizado son los parámetros más importantes para el uso de condensadores de polímero en equipos electrónicos. La corriente de fuga es significativa, ya que es mayor que la de los condensadores electrónicos con electrolitos no poliméricos. Se incluyen los valores respectivos de los condensadores electrónicos de Ta con electrolito de MnO₂ _y los condensadores electrónicos de Al húmedo.

^1. Fabricante, serie, capacitancia/tensión nominal.

² W×L×H para estilo rectangular (chip), D×L para estilo cilíndrico.

^3. Calculado para un condensador de 100  μF y 10  V.

(Datos de junio de 2015)

Ventajas de las tapas electrónicas de polímero frente a las tapas electrónicas de aluminio húmedas:

• Valores de VSG más bajos.
• mayor capacidad de corriente de rizado
• Características dependientes de la temperatura más baja
• Sin evaporación del electrolito, mayor vida útil
• No se produce combustión ni explosión en caso de cortocircuito.

Desventajas de las tapas electrónicas de polímero frente a las tapas electrónicas de aluminio húmedas:

• más caro
• mayor corriente de fuga
• susceptible a daños por transitorios y picos de voltaje elevados.

Ventajas de las cápsulas Al-e-caps de polímero híbrido :

• menos costoso que los condensadores electrónicos de aluminio polimérico
• menor corriente de fuga
• impenetrable ante transitorios

Desventajas de los polímeros híbridos Al-e-caps :

• Vida útil limitada debido a la evaporación.

Ventajas de los recubrimientos de polímero Ta y Al-e-caps frente a los MLCC (cerámicos):

• Sin capacitancia dependiente del voltaje (excepto en cerámicas de tipo 1).
• Sin microfonía (excepto cerámica tipo 1)
• es posible obtener valores de capacitancia más altos

Las características eléctricas de los condensadores están armonizadas por la especificación genérica internacional IEC 60384-1. En esta norma, las características eléctricas de los condensadores se describen mediante un circuito equivalente en serie idealizado con componentes eléctricos que modelan todas las pérdidas óhmicas y los parámetros capacitivos e inductivos de los condensadores electrolíticos:

• C , la capacitancia 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".
• R _fuga , la resistencia que representa la corriente de fuga del condensador.

El valor de capacitancia de los condensadores electrolíticos de polímero depende de la frecuencia de medición y la temperatura. Los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos presentan una mayor variabilidad en los rangos de frecuencia y temperatura que los condensadores de polímero.

La condición de medición estandarizada para los condensadores electrónicos de polímero Al es un método de medición de CA con 0,5  V a una frecuencia de 100/120  Hz y una temperatura de 20  °C. Para los condensadores electrónicos de polímero Ta, se puede aplicar una tensión de polarización de CC de 1,1 a 1,5  V para los tipos con una tensión nominal ≤2,5  V, o de 2,1 a 2,5  V para los tipos con una tensión nominal >2,5  V, durante la medición para evitar la tensión inversa.

El valor de capacitancia medido a una frecuencia de 1  kHz es aproximadamente un 10 % menor que el valor a 100/120  Hz. Por lo tanto, los valores de capacitancia de los condensadores electrónicos de polímero no son directamente comparables y difieren de los de los condensadores de película o cerámicos , cuya capacitancia se mide a 1  kHz o superior.

La unidad básica de capacitancia de un condensador electrolítico de polímero es el microfaradio (μF). El valor de capacitancia especificado en las hojas de datos del fabricante se denomina capacitancia nominal C _R o capacitancia nominal C _N. Se indica según la norma IEC 60063 en valores correspondientes a la serie E. Estos valores se especifican con una tolerancia de capacitancia conforme a la norma IEC 60062 para evitar solapamientos.

El valor de capacitancia medido debe estar dentro de los límites de tolerancia.

Según la norma IEC 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida para los condensadores electrónicos de polímero se denomina "tensión nominal U _R ". La tensión nominal U _R es la tensión continua máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal T _R.

La tensión de protección de los condensadores electrolíticos disminuye con el aumento de la temperatura. Para algunas aplicaciones, es importante utilizar 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 «tensión reducida por temperatura» para temperaturas más altas, la «tensión de categoría U _C ». La tensión de categoría es la tensión continua máxima o la tensión de pico de pulso que se puede aplicar continuamente a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de categoría T _C. La relación entre ambas tensiones y temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.

Aplicar un voltaje superior al especificado puede dañar los condensadores electrolíticos.

Aplicar un voltaje menor puede tener una influencia positiva en los condensadores electrolíticos de polímero. En el caso de los condensadores electrolíticos híbridos de polímero Al, un voltaje aplicado menor puede, en algunos casos, prolongar su vida útil. ^{[ 23 ]} En el caso de los condensadores electrolíticos de polímero Ta, reducir el voltaje aplicado aumenta la fiabilidad y disminuye la tasa de fallos prevista. ^{[ 52 ]}

La relación entre la temperatura nominal TR _y la tensión nominal UR, _así como entre la temperatura de categoría superior TC _y la tensión de categoría reducida UC _, se muestra en la imagen de la derecha.

Las capas de óxido de polímero e-cap se forman, por motivos de seguridad, a una tensión superior a la nominal, denominada tensión de sobretensión. Por lo tanto, está permitido aplicar una tensión de sobretensión durante periodos cortos y un número limitado de ciclos.

La tensión de sobretensión indica el valor máximo de tensión pico que se puede aplicar durante su uso durante un número limitado de ciclos. ^{[ 23 ]} La tensión de sobretensión está estandarizada en la norma IEC 60384-1.

Para los condensadores electrolíticos de polímero Al, la tensión de sobretensión es 1,15 veces la tensión nominal. Para los condensadores electrolíticos de polímero Ta, la tensión de sobretensión puede ser 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más cercano. ^{[ 46 ]}

La sobretensión aplicada a los condensadores de polímero puede influir en la tasa de fallos del condensador. ^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}

Los transitorios son picos de voltaje rápidos y elevados . Los condensadores electrolíticos de polímero, así como los de polímero de aluminio y tantalio, no pueden soportar transitorios ni picos de voltaje superiores al voltaje de sobretensión. Los transitorios en este tipo de condensadores electrolíticos pueden destruir los componentes. ^{[ 46 ] [ 53 ] [ 54 ]}

Los condensadores híbridos de polímero Al-e-caps son relativamente insensibles a las tensiones transitorias altas y de corta duración superiores a la tensión de sobretensión, si la frecuencia y el contenido energético de los transitorios son bajos. ^{[ 1 ] [ 17 ]} Esta capacidad depende de la tensión nominal y del tamaño del componente. Las tensiones transitorias de baja energía dan lugar a una limitación de tensión similar a la de un diodo Zener. ^{[ 56 ]} No es posible una especificación inequívoca y general de las tensiones transitorias o picos tolerables. En cada caso en que se produzcan transitorios, la aplicación debe evaluarse individualmente.

Los condensadores electrolíticos de polímero, tanto de tantalio como de aluminio, son condensadores polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo con respecto al voltaje del cátodo. Sin embargo, pueden soportar durante breves instantes un voltaje inverso dependiente del tipo durante un número limitado de ciclos. ^{[ 57 ] [ 58 ]} Un voltaje inverso superior al umbral dependiente del tipo, aplicado durante un tiempo prolongado al condensador electrolítico de polímero, provoca un cortocircuito y la destrucción del condensador.

Para minimizar la probabilidad de que un condensador electrolítico polarizado se inserte incorrectamente en un circuito, la polaridad debe estar indicada muy claramente en la carcasa; consulte la sección sobre "Marcado de polaridad" a continuación.

Véase también: Condensador electrolítico#Impedancia y Condensador electrolítico#ESR y factor de disipación tan δ

La impedancia es la relación compleja entre la tensión y la corriente en un circuito de corriente alterna (CA) , y expresa como resistencia de CA tanto la magnitud como la fase a una frecuencia determinada. En las hojas de datos de los condensadores electrolíticos de polímero, solo se especifica la magnitud de la impedancia |Z| , que se representa simplemente como "Z" . Según la norma IEC 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos de polímero se miden y especifican a 100 kHz. 

En el caso especial de resonancia , donde ambas resistencias reactivas X _C y X _L tienen el mismo valor ( X _C =X _L ), la impedancia estará determinada únicamente por la resistencia serie equivalente ESR , que resume todas las pérdidas resistivas del condensador. A 100  kHz, la impedancia y la ESR tienen valores prácticamente iguales para condensadores electrónicos de polímero con capacitancias del orden de μF. Con frecuencias superiores a la de resonancia, la impedancia vuelve a aumentar debido a la inductancia serie equivalente (ESL) del condensador, convirtiéndolo en un inductor.

La impedancia y la ESR, como se muestra en las curvas, dependen en gran medida del electrolito utilizado. Las curvas muestran valores de impedancia y ESR progresivamente menores para los condensadores electrolíticos de Al y Ta con electrolito húmedo _, Al/TCNQ y polímero de tantalio. También se muestra la curva de un condensador cerámico MLCC de clase 2, con valores de Z y ESR aún menores, pero cuya capacitancia depende de la tensión.

Una ventaja de los condensadores electrónicos de polímero sobre los de aluminio no sólidos es su baja dependencia de la temperatura y la curva casi lineal de la ESR en el rango de temperatura especificado. Esto se aplica tanto a los condensadores electrónicos de tantalio polimérico como a los de aluminio polimérico, así como a los híbridos de aluminio polimérico.

La impedancia y la ESR también dependen del diseño y los materiales de los condensadores. Los condensadores electrolíticos de aluminio cilíndricos con la misma capacitancia que los rectangulares tienen una inductancia mayor que los rectangulares con electrodos en capas y, por lo tanto, una frecuencia de resonancia menor. Este efecto se amplifica mediante la construcción de múltiples ánodos, en la que las inductancias individuales se reducen por su conexión en paralelo ^{[ 47 ] [ 48 ]} y la técnica de "boca abajo" ^{[ 49 ] .}

La "corriente de rizado" es el valor eficaz (RMS) de una corriente alterna superpuesta de cualquier frecuencia y forma de onda de la curva de corriente para un funcionamiento continuo dentro del rango de temperatura especificado. Se produce principalmente en fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación conmutadas ) tras rectificar una tensión alterna y fluye como corriente de carga y descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado. ^{[ 18 ]}

Las corrientes de rizado generan calor dentro del cuerpo del condensador. Esta pérdida de potencia por disipación P _L es causada por ESR y es el valor al cuadrado de la corriente de rizado efectiva (RMS) I _R .

${\displaystyle P_{L}=I_{R}^{2}\cdot ESR}$

Este calor generado internamente, sumado a la temperatura ambiente y otras fuentes de calor externas, produce una temperatura más elevada en el cuerpo del condensador, con una diferencia de temperatura _{ΔT respecto al ambiente. Este calor debe distribuirse como pérdidas térmicas Pth} a través de la superficie A del condensador y la resistencia térmica β hacia el ambiente.

${\displaystyle P_{th}=\Delta T\cdot A\cdot \beta }$

Este calor se distribuye al ambiente por radiación térmica , convección y conducción térmica . La temperatura del condensador, que es el balance neto entre el calor producido y el distribuido, no debe exceder la temperatura máxima especificada para el condensador.

La corriente de rizado para condensadores electrónicos de polímero se especifica como un valor eficaz máximo (RMS) a 100  kHz a la temperatura nominal máxima. Las corrientes de rizado no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias individuales mediante análisis de Fourier y resumirse mediante suma al cuadrado para calcular un valor RMS. ^{[ 59 ]}

${\displaystyle I_{R}={\sqrt {{i_{1}}^{2}+{i_{2}}^{2}+{i_{3}}^{2}+{i_{n}}^{2}}}}$

Normalmente, el valor de la corriente de rizado se calcula para un aumento de la temperatura del núcleo de 2 a 6  °C con respecto a la temperatura ambiente, según el tipo y el fabricante. ^{[ 60 ]} La corriente de rizado puede aumentar a temperaturas más bajas. Dado que la ESR depende de la frecuencia y aumenta en el rango de baja frecuencia, la corriente de rizado debe reducirse a frecuencias más bajas. ^{[ 61 ]}

En los condensadores Ta-e de polímero, el calor generado por la corriente de rizado influye en la fiabilidad de los condensadores. ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]} Superar el límite puede provocar fallos catastróficos con cortocircuitos y componentes quemados.

El calor generado por la corriente de rizado también influye en la vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolitos de polímero sólido. ^{[ 18 ] [ 66 ]}

El calor generado por la corriente de rizado afecta la vida útil de los tres tipos de condensadores electrónicos de polímero. ^{[ 18 ]}

Los condensadores electrolíticos de tantalio polimérico son sensibles a las corrientes pico o pulsantes. ^{[ 53 ] [ 54 ]} Los condensadores electrolíticos de tantalio polimérico expuestos a sobretensiones, corrientes pico o pulsantes, por ejemplo, en circuitos altamente inductivos, requieren una reducción de tensión. De ser posible, el perfil de tensión debe ser una rampa de activación, ya que esto reduce la corriente pico que experimenta el condensador.

Los condensadores Al-e-caps de polímero híbrido no tienen restricciones en cuanto a corrientes de sobretensión, pico o pulso. Sin embargo, la suma de las corrientes no debe exceder la corriente de rizado especificada.

La corriente de fuga de CC (DCL) es una característica única de los condensadores electrolíticos que no poseen otros condensadores convencionales. Se trata de la corriente continua que fluye cuando se aplica una tensión continua de polaridad correcta. Esta corriente está representada por la resistencia R _fuga en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrolíticos. Las principales causas de la DCL en los condensadores de polímero sólido son, por ejemplo, los puntos de ruptura dieléctrica eléctrica tras la soldadura, las trayectorias conductoras no deseadas debido a impurezas o a una anodización deficiente, y, en el caso de los condensadores rectangulares, el desacoplamiento del dieléctrico debido a un exceso de MnO₂ _, a la presencia de humedad o a conductores catódicos (carbono, plata). ^{[ 67 ]}

La especificación de corriente de fuga de la hoja de datos se obtiene multiplicando el valor de capacitancia nominal C _R por el valor de la tensión nominal U _R junto con una cifra adicional, medida después de 2 o 5 minutos, por ejemplo, una fórmula para condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos:

${\displaystyle I_{\mathrm {fuga} }=0{.}01\,\mathrm {{A} \over {V\cdot F}} \cdot U_{\mathrm {R} }\cdot C_{\mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A} }$

La corriente de fuga en los condensadores electrónicos de polímero sólido generalmente disminuye muy rápidamente, pero luego se mantiene en el nivel alcanzado. Su valor depende de la tensión aplicada, la temperatura, el tiempo de medición y la influencia de la humedad causada por las condiciones de sellado de la carcasa.

Los condensadores electrolíticos de polímero presentan valores de corriente de fuga relativamente altos. Esta corriente de fuga no puede reducirse mediante la "reparación" en el sentido de generar nuevo óxido, ya que en condiciones normales los electrolitos de polímero no pueden suministrar oxígeno para los procesos de formación. El recocido de defectos en la capa dieléctrica solo puede llevarse a cabo mediante sobrecalentamiento localizado y evaporación del polímero. Los valores de corriente de fuga para los condensadores electrolíticos de polímero oscilan entre 0,2  C _R U _R y 0,04  C _R U _R , según el fabricante y la serie. Por lo tanto, el valor de la corriente de fuga para los condensadores de polímero es mayor que para los condensadores electrolíticos de Al "húmedos" y los condensadores electrolíticos de MnO _{2 Ta.}

Esta mayor fuga de corriente, desventaja de los Al-e-caps de polímero sólido, se evita con los Al-e-caps híbridos. Su electrolito líquido proporciona el oxígeno necesario para la reformación de los defectos de óxido, de modo que los híbridos alcanzan los mismos valores que los Al-e-caps húmedos. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

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".

No se dispone de datos sobre la absorción dieléctrica para los condensadores electrolíticos de tantalio polimérico ni de aluminio.

La fiabilidad de un componente es una propiedad que indica con qué fiabilidad realiza su función en un intervalo de tiempo. Está sujeta a un proceso estocástico y puede describirse cualitativa y cuantitativamente, pero no es directamente medible. La fiabilidad de los condensadores electrolíticos se determina empíricamente identificando la tasa de fallos en la producción junto con las pruebas de resistencia . La fiabilidad se suele representar mediante una curva en forma de bañera y se divide en tres áreas: fallos precoces o fallos de mortalidad infantil, fallos aleatorios constantes y fallos por desgaste. Los fallos totalizados en una tasa de fallos son los fallos por cortocircuito, circuito abierto y degradación (que superan los parámetros eléctricos). En el caso de los condensadores electrolíticos de polímero Ta, la tasa de fallos también se ve influenciada por la resistencia en serie del circuito, que no es necesaria para los condensadores electrolíticos de polímero Al.

Se necesitan miles de millones de horas de prueba para verificar las tasas de fallo en el rango de nivel muy bajo que se requiere hoy en día para garantizar la producción de grandes cantidades de componentes sin fallos. Esto requiere aproximadamente un millón de unidades probadas durante un largo período, lo que implica una gran cantidad de personal y una financiación considerable. ^{[ 68 ]} Las tasas de fallo probadas a menudo se complementan con la retroalimentación del campo de grandes usuarios (tasa de fallo en campo), lo que generalmente reduce las estimaciones de la tasa de fallo.

Por razones históricas , las unidades de tasa de falla de los Ta-e-caps y Al-e-caps son diferentes. Para los Al-e-caps, la predicción de confiabilidad generalmente se expresa en una tasa de falla λ, con la unidad Fallas en Tiempo ( FIT ) en condiciones operativas estándar de 40  °C y 0,5  U _R durante el período de fallas aleatorias constantes. Este es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10⁹ ⁾ de horas de operación de componentes (por ejemplo, 1000 componentes para 1  millón de horas, o 1  millón de componentes para 1000 horas, lo que es 1 ppm / 1000 horas) en las condiciones operativas estándar. Este modelo de tasa de falla asume implícitamente que las fallas son aleatorias. Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios ,  pero a una tasa predecible. El valor recíproco de FIT es Tiempo Medio Entre Fallas (MTBF).

Para los Ta-e-caps, la tasa de fallos "F _Ta " se especifica con la unidad "n  % fallos por 1000 horas" a 85  °C, U = U _R y una resistencia de circuito de 0,1  Ω/V. Este es el porcentaje de fallos que se puede esperar en 1000 horas de funcionamiento en condiciones operativas mucho más exigentes en comparación con el modelo "FIT". Las tasas de fallos "λ" y "F _Ta " dependen de las condiciones operativas, incluyendo la temperatura, la tensión aplicada y varios factores ambientales como la humedad, los golpes o las vibraciones y el valor de capacitancia del condensador. ^{[ 52 ]} Las tasas de fallos son una función creciente de la temperatura y la tensión aplicada.

Las tasas de fallo de los condensadores Ta-e-caps sólidos y los condensadores Al-e-caps "húmedos" se pueden recalcular con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales ^{[ 69 ]} o militares ^{[ 70 ]} . Este último está establecido en la industria y se utiliza a menudo para aplicaciones industriales. Sin embargo, para los condensadores Ta-e-caps de polímero y los condensadores Al-e-caps de polímero no se habían publicado factores de aceleración hasta 2016. Por lo tanto, un ejemplo de recálculo de una tasa de fallo de un condensador de tantalio F _Ta a una tasa de fallo λ solo se puede dar comparando condensadores estándar. Ejemplo:

Una tasa de fallo F _Ta = 0,1 %/1000  h a 85  °C y U =  U _R se recalculará en una tasa de fallo λ a 40  °C y U = 0,5 U _R . 

Se utilizan los siguientes factores de aceleración de MIL-HDBK 217F:

F _U = factor de aceleración de voltaje, para U = 0,5 U _R es F _U = 0,1 

F _T = factor de aceleración de temperatura, para T = 40  °C es F _T = 0,1

F _R = factor de aceleración para la resistencia en serie R _V , con el mismo valor es = 1

A continuación

λ = F _Ta x F _U x F _T x F _R

λ = (0,001/1000  h) × 0,1 × 0,1 × 1 = 0,00001/1000  h = 1•10 ⁻⁹ /h = 1  FIT

En 2015, las cifras publicadas sobre la tasa de fallos de los condensadores de tantalio polimérico y de aluminio polimérico se situaban entre 0,5 y 20  FIT. Estos niveles de fiabilidad, dentro de la vida útil calculada, son comparables a los de otros componentes electrónicos y garantizan un funcionamiento seguro durante décadas en condiciones normales.

La vida útil de los condensadores electrolíticos es una característica particular de los condensadores electrolíticos no sólidos, cuyo electrolito líquido puede evaporarse con el tiempo, provocando fallos por desgaste. Los condensadores de tantalio sólido con electrolito de MnO₂ _no presentan este mecanismo de desgaste, por lo que la tasa de fallos es mínima hasta que todos los condensadores fallan. No tienen una especificación de vida útil como los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos.

Sin embargo, los condensadores electrolíticos de tantalio y aluminio poliméricos sí tienen una especificación de vida útil. El electrolito polimérico presenta un ligero deterioro de la conductividad debido a un mecanismo de degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuye con el tiempo, de acuerdo con una estructura de tipo metálico granular, en la que el envejecimiento se debe a la contracción de los granos del polímero conductor. ^{[ 66 ]}

El tiempo de funcionamiento de los condensadores (vida útil, vida bajo carga, vida en servicio) se prueba con una prueba de resistencia acelerada según IEC 60384-24/-25/-26 ^{[ 71 ]} con tensión nominal a la temperatura de categoría superior. Las condiciones de prueba para superar la prueba son:

• Sin cortocircuito ni circuito abierto
• reducción de la capacitancia en menos del 20%
• aumento de ESR, impedancia o factor de pérdida menor que un factor de 2

Los límites especificados para las fallas por degradación de los condensadores de polímero son mucho más ajustados que para los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos. Esto significa que el comportamiento de la vida útil de los condensadores electrolíticos de polímero es mucho más estable que el de los condensadores electrolíticos de aluminio húmedos.

La especificación de vida útil para los condensadores de polímero se especifica en términos similares a los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos, con un tiempo en horas a voltaje y temperatura máximos, por ejemplo: 2000 h/105  °C. Este valor se puede utilizar para estimar la vida útil operativa en condiciones individuales mediante una fórmula denominada "regla de los 20 grados": ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}

${\displaystyle L_{x}=L_{\text{Spec}}\cdot 10^{\frac {T_{0}-T_{A}}{20}}}$

• L _x = tiempo de vida estimado
• L _Spec = vida útil especificada (vida útil, vida bajo carga, vida útil en servicio)
• T ₀ = temperatura de la categoría superior (°C)
• T _A = temperatura (°C) de la carcasa del condensador electrónico o temperatura ambiente cerca del condensador.

Esta regla caracteriza la variación de la velocidad de las reacciones térmicas de los polímeros dentro de los límites de degradación especificados. Según esta fórmula, la vida útil teórica esperada de un condensador de polímero de 2000  h/105  °C, que funciona a 65  °C, se puede calcular (mejor dicho, estimar) en unas 200 000 horas o aproximadamente 20 años.

Para los condensadores electrónicos híbridos de polímero Al, la regla de los 20 grados no se aplica. La vida útil esperada de estos condensadores electrónicos híbridos de polímero se puede calcular utilizando la regla de los 10 grados . En las condiciones mencionadas, los condensadores electrónicos con electrolito líquido pueden tener una vida útil de 32 000 horas, o aproximadamente 3,7 años.

Símbolos de condensadores electrolíticos

Marcado de polaridad para condensadores electrolíticos de polímero

Los condensadores electrolíticos de polímero, si disponen de espacio suficiente, tienen marcas impresas codificadas para indicar

• nombre o marca comercial del fabricante;
• designación del tipo del fabricante;
• polaridad
• capacitancia nominal;
• tolerancia en la capacitancia nominal
• tensión nominal
• categoría climática o temperatura nominal;
• año y mes (o semana) de fabricación;

Para condensadores muy pequeños no es posible realizar ninguna marcación.

El código de las marcas varía según el fabricante.

La estandarización de componentes electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), ^{[ 82 ]} una organización internacional de normalización no gubernamental y sin fines de lucro . ^{[ 83 ] [ 84 ]}

La definición de las características y el procedimiento de los métodos de prueba para condensadores utilizados en equipos electrónicos se establecen en la especificación genérica :

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

Las pruebas y los requisitos que deben cumplir los condensadores electrolíticos de tantalio polimérico y aluminio polimérico para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos estandarizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales :

• 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

Las características ESR y ESL de los condensadores electrolíticos de polímero están convergiendo con las de los condensadores MLCC. Por el contrario, la capacitancia específica de los condensadores MLCC de clase 2 se está aproximando a la de los condensadores de chip de tantalio. ^{[ 85 ] [ 86 ]} Sin embargo, aparte de esta creciente comparabilidad, existen argumentos a favor o en contra de ciertos tipos de condensadores. Muchos fabricantes de condensadores exponen estos argumentos cruciales de sus tecnologías frente a la competencia en presentaciones y artículos, ^{[ 87 ]} p.  ej.:

• Condensadores electrónicos de Al-Polymer frente a MLCC: Panasonic ^{[ 88 ]}
• MLCC frente a polímeros y cápsulas electrónicas "húmedas": Murata ^{[ 89 ] [ 90 ]}
• Tapas electrónicas de Al-Polímero contra tapas electrónicas "húmedas": NCC, ^{[ 18 ]} NIC ^{[ 1 ]}
• Tapas electrónicas de Ta-Polímero frente a tapas electrónicas sólidas estándar de Ta-MnO ₂ : Kemet ^{[ 91 ]}

A partir de julio de 2016