Absorción dieléctrica
La absorción dieléctrica es el nombre que se le da al efecto por el cual un condensador , que ha estado cargado durante mucho tiempo, se descarga solo de forma incompleta cuando se descarga brevemente. Aunque un condensador ideal permanecería a cero voltios después de ser descargado, los condensadores reales desarrollarán un pequeño voltaje a partir de la descarga dipolar retardada en el tiempo, [1] un fenómeno que también se llama relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería". Para algunos dieléctricos , como muchas películas de polímeros , el voltaje resultante puede ser inferior al 1-2% del voltaje original, pero puede ser de hasta el 15% para los condensadores electrolíticos . El voltaje en los terminales generado por la absorción dieléctrica puede causar problemas en el funcionamiento de un circuito electrónico o puede ser un riesgo de seguridad para el personal. Para evitar descargas, la mayoría de los condensadores muy grandes se envían con cables de cortocircuito que deben quitarse antes de usarlos y/o resistencias de purga conectadas permanentemente . Cuando se desconectan en uno o ambos extremos, los cables de alto voltaje de CC también pueden "recargarse" a voltajes peligrosos.
Teoría
La carga de un condensador (debido a un voltaje entre las placas del condensador) hace que se aplique un campo eléctrico al dieléctrico entre los electrodos. Este campo ejerce un par sobre los dipolos moleculares , lo que hace que las direcciones de los momentos dipolares se alineen con la dirección del campo. Este cambio en los dipolos moleculares se denomina polarización orientada y también hace que se genere calor, lo que da lugar a pérdidas dieléctricas (véase factor de disipación ). El tiempo de orientación de los dipolos no sigue al campo eléctrico de forma sincrónica, sino que se retrasa una constante de tiempo que depende del material. Este retraso corresponde a una respuesta de histéresis de la polarización al campo externo.
Cuando el condensador se descarga, la fuerza del campo eléctrico disminuye y la orientación común de los dipolos moleculares vuelve a un estado no dirigido en un proceso de relajación . Debido a la histéresis, en el punto cero del campo eléctrico, un número dependiente del material de dipolos moleculares todavía están polarizados a lo largo de la dirección del campo sin que aparezca un voltaje medible en los terminales del condensador. Esto es como una versión eléctrica de la remanencia magnética . Los dipolos orientados se descargarán espontáneamente con el tiempo y el voltaje en los electrodos del condensador decaerá exponencialmente . [2] El tiempo de descarga completa de todos los dipolos puede ser de días a semanas dependiendo del material. Este voltaje "recargado" puede retenerse durante meses, incluso en condensadores electrolíticos , causado por la alta resistencia de aislamiento en los dieléctricos de condensadores modernos comunes. La descarga de un condensador y la recarga posterior pueden repetirse varias veces.
Medición
La absorción dieléctrica es una propiedad que se conoce desde hace mucho tiempo. Su valor se puede medir de acuerdo con la norma IEC/EN 60384-1. El condensador se cargará a la tensión nominal de CC durante 60 minutos. A continuación, se desconectará el condensador de la fuente de alimentación y se descargará durante 10 s. La tensión recuperada en los terminales del condensador (tensión de recuperación) en 15 minutos es la tensión de absorción dieléctrica. El tamaño de la tensión de absorción dieléctrica se especifica en relación con la tensión aplicada en porcentaje y depende del material dieléctrico utilizado. Muchos fabricantes lo especifican en las hojas de datos. [3] [4] [5] [6] [7]
| Tipo de condensador | Absorción dieléctrica |
|---|---|
| Condensadores de aire y vacío | No medible |
| Condensadores cerámicos de clase 1 , NP0 | 0,6% |
| Condensadores cerámicos de clase 2, X7R | 0,6 a 1,0% [7] |
| Condensadores cerámicos de clase 2, Z5U | 2,0 a 2,5% [7] |
| Condensadores de película de polipropileno (PP) | 0,05 a 0,1% |
| Condensadores de película de poliéster (PET) | 0,2 a 0,5% |
| Condensadores de película de sulfuro de polifenileno (PPS) | 0,05 a 0,1% |
| Condensadores de película de naftalato de polietileno (PEN) | 1,0 a 1,2% |
| Condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido | 2 a 3 %, [8] 10 % [9] |
| Condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido | Entre el 10 y el 15% [10] |
| Condensador de doble capa | datos no disponibles |
Consideraciones de diseño y seguridad
El voltaje en los terminales generado por la absorción dieléctrica puede posiblemente causar problemas en el funcionamiento de un circuito electrónico. Para circuitos analógicos sensibles como circuitos de muestreo y retención , integradores , amplificadores de carga o circuitos de audio de alta calidad, se utilizan condensadores cerámicos o de polipropileno de clase 1 en lugar de condensadores cerámicos de clase 2, condensadores de película de poliéster o condensadores electrolíticos. [11] Para la mayoría de los circuitos electrónicos, particularmente aplicaciones de filtrado, el pequeño voltaje de absorción dieléctrica no tiene influencia en el funcionamiento eléctrico adecuado del circuito. Para los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido que no están integrados en un circuito, el voltaje de absorción dieléctrica generado puede ser un riesgo para la seguridad del personal. [12] El voltaje puede ser bastante sustancial, por ejemplo 50 V para condensadores electrolíticos de 400 V, y puede causar daños a dispositivos semiconductores o provocar chispas durante la instalación en el circuito. Los condensadores electrolíticos de aluminio más grandes y los condensadores de potencia de alto voltaje se transportan y entregan en cortocircuito para disipar esta energía no deseada y posiblemente peligrosa.
Otro efecto de la absorción dieléctrica se denomina a veces "remojo". Se manifiesta como un componente de la corriente de fuga y contribuye al factor de pérdida del condensador. Este efecto se conoce desde hace poco: [ verificación fallida ] ahora representa una parte proporcionalmente mayor de la corriente de fuga debido a las propiedades significativamente mejoradas de los condensadores modernos. [9]
No hay cifras disponibles de los fabricantes para condensadores de doble capa.
Historia
La absorción dieléctrica se descubrió por primera vez en las botellas de Leyden y en los cables telegráficos , y ya era un fenómeno bien conocido a finales del siglo XIX. En su día se la conocía como "absorción eléctrica", pero en aquel momento no existían explicaciones satisfactorias sobre su mecanismo físico. Una descripción apareció en el libro de James Clerk Maxwell de 1873 Tratado sobre electricidad y magnetismo , en el que derivó su modelo físico, pero solo era aplicable a un material dieléctrico no homogéneo con múltiples capas. [13] [14]
Véase también
Referencias
- ^ "Modelado de la absorción dieléctrica en condensadores, por Ken Kundert" (PDF) .
- ^ "Productos de sonido Elliot, 2.1 - Absorción dieléctrica".
- ^ WIMA, Características de los condensadores de película metalizada en comparación con otros dieléctricos "WIMA". Archivado desde el original el 2012-11-05 . Consultado el 2012-12-14 .
- ^ "Condensadores de película, TDK Epcos, Información técnica general" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2012-02-01 . Consultado el 2012-01-23 .
- ^ AVX, Cuadro comparativo dieléctrico
- ^ "Holystone, Comparación dieléctrica de capacitores, Nota técnica 3" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2012-02-01 . Consultado el 2012-01-23 .
- ^ abc https://www.wima.de/de/service/knowledge-base/grundlagen-der-kondensatorentechnologie/ base de conocimientos del fabricante de condensadores WIMA (alemán), consultado el 21 de noviembre de 2020.
- ^ "Kemet, condensadores de polímero de tantalio en chip" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 23 de noviembre de 2014 . Consultado el 23 de enero de 2012 .
- ^ ab RW Franklin, AVX, Análisis de la corriente de fuga de un condensador de tantalio sólido, PDF, PDF
- ^ CDE, Guía de aplicación de condensadores electrolíticos de aluminio, PDF
- ^ National Semiconductors, Comprenda la absorción de los capacitores para optimizar los sistemas analógicos Archivado el 23 de enero de 2010 en Wayback Machine
- ^¿ Qué es todo esto de carga atrapada y compresión dieléctrica?
- ^ Maxwell, James (1873). "Capítulo X. Conducción en dieléctricos". Tratado sobre electricidad y magnetismo. Clarendon Press. pág. 376.
En un condensador de este tipo, primero cargado de cualquier manera, luego descargado a través de un cable de pequeña resistencia y luego aislado, no aparecerá nueva electrificación. Sin embargo, en la mayoría de los condensadores actuales, encontramos que después de la descarga y el aislamiento se desarrolla gradualmente una nueva carga, del mismo tipo que la carga original, pero de intensidad inferior. Esto se llama carga residual. Para explicarla debemos admitir que la constitución del medio dieléctrico es diferente de la que acabamos de describir. Sin embargo, encontraremos que un medio formado por una conglomeración de pequeños fragmentos de diferentes medios simples poseería esta propiedad.
- ^ HA Rowland (1878). "Nota sobre la teoría de la absorción eléctrica". American Journal of Mathematics . 1 (1): 53–58. doi :10.2307/2369434. JSTOR 2369434.
Lectura adicional
- Comprender la absorción de calor del condensador para optimizar los sistemas analógicos, Bob Pease, EDN , 13 de octubre de 1982.
- ¿Qué es todo este asunto de la remojo?, Bob Pease, Electronic Design , 12 de mayo de 1998.
- Introducción a los condensadores
