Un condensador es un componente electrónico pasivo que se utiliza para almacenar energía eléctrica. Su estructura central consta de dos conductores (generalmente placas de metal) que están aislados entre sí y ubicados cerca uno del otro. Cuando se aplica un voltaje de CC a los extremos de un condensador, las cargas positivas y negativas se acumulan en cada una de las dos placas, creando un campo electrostático entre ellas. Este proceso de separación de carga y establecimiento del campo eléctrico realiza el almacenamiento de energía eléctrica, y la capacidad del condensador determina su capacidad de almacenamiento de energía. Los condensadores pueden responder rápidamente a los cambios de voltaje durante la carga y descarga, una característica que los hace valiosos para una amplia gama de aplicaciones en circuitos electrónicos.
Clasificación de los condensadores
1. Condensadores de uso general
Incluye principalmente condensadores cerámicos (como el circuito de alta frecuencia en el MLCC), condensadores de película (como condensadores de poliéster, condensadores de poliestireno, etc.), con buena estabilidad, baja pérdida dieléctrica, ampliamente utilizados en acoplamiento, derivación, oscilación y otros circuitos convencionales.
2. Condensadores electrolíticos
Representados por condensadores electrolíticos de aluminio y condensadores electrolíticos de tantalio, tienen las ventajas de gran capacidad y pequeño volumen. Se utilizan principalmente en escenarios como el filtrado de la fuente de alimentación (por ejemplo, la salida de una fuente de alimentación conmutada), el almacenamiento de energía y el acoplamiento de señales de baja frecuencia.
3. Condensadores ajustables
A través del ajuste mecánico para cambiar el espaciado de la placa polar o el área efectiva para lograr cambios en el valor de capacitancia, generalmente utilizado en circuitos de sintonización de radio (como los selectores de radio anticuados), adaptación de impedancia de alta frecuencia y otras ocasiones que requieren un ajuste preciso.
4. Supercondensador (condensador de doble capa)
Entre el condensador tradicional y los dispositivos de almacenamiento de energía de batería, con una densidad de potencia muy alta y características de carga y descarga rápidas, adecuados para el sistema de arranque y parada de vehículos de nueva energía, almacenamiento de energía de red y otras aplicaciones de alta potencia.
5. Condensadores de seguridad
Incluyendo condensadores X (a través de la línea para suprimir la interferencia de modo diferencial) y condensadores Y (entre la línea y la tierra para suprimir la interferencia de modo común), utilizados específicamente para el filtrado EMI de la fuente de alimentación, para garantizar que el equipo eléctrico esté en línea con los estándares de compatibilidad electromagnética.
6. Condensadores de potencia
Como la electrónica de potencia utilizada en condensadores de soporte de CC, condensadores de filtro de CA, etc., utilizada principalmente en convertidores de frecuencia, inversores y otros dispositivos de conversión de energía de alta potencia.
El papel de los condensadores
1. Almacenamiento de energía y carga y descarga rápidas
Los condensadores pueden almacenar energía eléctrica en forma de campo electrostático y soportar la carga y descarga a alta velocidad. En comparación con las baterías químicas, su velocidad de carga y descarga es más rápida (milisegundos) y el ciclo de vida puede alcanzar más de decenas de miles de veces, por lo que tiene una ventaja única en la escena que requiere una alta corriente instantánea o una conversión de energía rápida (como la aceleración del vehículo eléctrico, la recuperación de energía de frenado, el sistema de potencia de pulso).
2. Aislamiento a través de la cruz (acoplamiento y desacoplamiento)
Los condensadores presentan una alta impedancia a la CC, bloqueando el componente de CC y permitiendo el paso de las señales de CA. Esta característica hace que sea ampliamente utilizado en circuitos de acoplamiento (como la transmisión de señales de audio en el condensador de aislamiento) y circuitos de desacoplamiento (para eliminar la interferencia de ruido de la fuente de alimentación).
3. Filtrado y estabilización de voltaje
En los circuitos de suministro de energía, los condensadores pueden filtrar eficazmente los componentes pulsantes rectificados, la salida de un voltaje de CC suave (como los condensadores electrolíticos utilizados en el filtrado de la fuente de alimentación). Además, en el procesamiento de señales, los condensadores se pueden usar con resistencias o inductores para formar un filtro de paso bajo y paso alto para suprimir el ruido de alta frecuencia y mejorar la calidad de la señal.
4. Afinación y resonancia (circuito LC)
Los condensadores e inductores se pueden combinar para formar circuitos resonantes LC para la selección de frecuencia, sintonización y otras aplicaciones, como circuitos FM de receptores de radio, osciladores y redes de coincidencia de RF.
5. Arranque del motor y compensación de fase
En los motores de CA monofásicos, los condensadores ayudan en el arranque del motor (por ejemplo, condensadores de arranque) generando una diferencia de fase para formar un campo magnético giratorio. Además, en los sistemas de potencia, los condensadores se utilizan para la corrección del factor de potencia para mejorar la eficiencia de la utilización de la energía.
Estas propiedades de los condensadores hacen que desempeñen un papel clave en circuitos electrónicos, sistemas de potencia, nuevas tecnologías energéticas y equipos de comunicación.
Condensadores de prueba para detectar fallas
1. Apariencia
La carcasa del condensador de potencia está intacta, no hay expansión obvia, deformación, grietas y otros fenómenos. Si se da la situación anterior, significa que el condensador tiene una falla grave, es decir, no puede seguir usándose.
Ya sea que la conexión del terminal del condensador sea firme, con o sin problemas sueltos, corrosión y otros. Los problemas con los terminales pueden provocar un mal contacto y afectar el funcionamiento normal del condensador.
2. Prueba de capacidad
Mida la capacidad del condensador de potencia para ver si la capacidad real del condensador coincide con la capacidad nominal. Si la capacidad real es demasiado inferior a la capacidad nominal, significa que el condensador ha envejecido y ha fallado.
3. Prueba de resistencia de aislamiento
Mida la resistencia de aislamiento del condensador con los instrumentos pertinentes. En circunstancias normales, la resistencia de aislamiento debe ser superior a 10 megaohmios. Si la resistencia de aislamiento es inferior a este valor, significa que el rendimiento de aislamiento del condensador puede haberse dañado y se requiere una inspección adicional.
4. Prueba de voltaje y corriente
Mida el valor de voltaje del condensador de potencia durante el funcionamiento. Si el valor del voltaje fluctúa mucho, significa que el condensador de potencia puede tener problemas.
Mida el valor actual del condensador a la tensión nominal. Si el valor actual real excede el valor actual en la guía, indica que el condensador puede estar sobrecargado.
5. Prueba de temperatura
Pruebe si la temperatura de funcionamiento del condensador de potencia está dentro del rango especificado. Normalmente, el condensador debe funcionar en condiciones de temperatura adecuadas. Si la temperatura es demasiado alta, demuestra que el condensador puede tener algún tipo de fallo, es necesario dejar de usarlo de inmediato.
Lo anterior es el método para determinar si el condensador de potencia está defectuoso. En funcionamiento real, los condensadores de potencia deben inspeccionarse con regularidad y, si se encuentran anomalías, deben detenerse a tiempo para evitar desencadenar riesgos de seguridad.
Métodos de prueba de condensadores
1. Método de prueba del multímetro digital
Procedimiento de operación:
Asegúrese de que el condensador esté completamente descargado
Ajuste el multímetro a resistencia (se recomienda elegir ×1k o nivel superior)
Conecte los lápices de prueba a ambos extremos del condensador.
Observe el cambio de lectura:
Rendimiento normal: la lectura se muestra brevemente y luego vuelve rápidamente al estado "OL" (circuito abierto)
Rendimiento de fallo: Muestra continuamente un valor de resistencia fijo o resistencia cero.
Precaución:
Asegúrese de que la prueba esté completamente descargada antes de realizar la prueba
10 segundos o más entre cada prueba
Repita la prueba 3 veces para confirmar la consistencia de los resultados
2. Método de prueba del multímetro analógico
Proceso de detección:
Seleccione el nivel de resistencia adecuado (recomendado ×100 o ×1k)
Conecte el lápiz de prueba y observe el movimiento del puntero:
Buena capacitancia: el puntero oscila bruscamente hacia la derecha y luego vuelve lentamente a ∞.
Fallo de cortocircuito: el puntero se detiene en la posición de baja resistencia
Fallo de circuito abierto: el puntero no se mueve en absoluto
Puntos técnicos:
Los condensadores electrolíticos deben prestar atención a la polaridad (bolígrafo negro al polo positivo)
Condensadores de gran capacidad (>10 μF) oscilación del puntero más obvia
Después de la prueba, debe esperar a que el puntero vuelva a la posición completa
3. Método de medición directa de engranajes de capacitancia
Implemente la especificación:
Elija un multímetro digital con función de medición de capacitancia.
Selección del rango de medición:
Pequeña capacitancia (nivel pF): Utilice el clip de prueba especial.
Gran capacitancia (nivel μF): prueba de conexión directa
Criterios de juicio de resultados:
Paso: Valor medido dentro del ±20% del valor nominal.
Nota: Los condensadores electrolíticos permiten una desviación del 50%/-20%.
Fallo: muestra "0" o muy por debajo del valor límite inferior nominal
4. Método de prueba de voltaje
Guía de operación profesional:
Construya el circuito de prueba:
Voltaje de alimentación ≤ voltaje nominal del condensador
Resistencia limitadora de corriente en serie (1-10kΩ)
Proceso de medición:
Al comienzo de la carga: el voltaje debe aumentar rápidamente
Después de la estabilización: el voltaje debe estar cerca del voltaje de suministro
Características de la falla:
El voltaje sube lentamente: decaimiento de la capacidad
No se puede mantener el voltaje: corriente de fuga excesiva
Voltaje cero: falla completa
5. Mediciones de constantes de tiempo
Programa de medición de precisión:
Circuito de prueba estándar:
Resistencia de precisión conocida R (se recomienda 1 kΩ-10 kΩ)
Osciloscopio para controlar la curva de carga
Método de cálculo:
Mida el tiempo hasta el 63,2% de la tensión de alimentación (τ)
Calcular la capacidad: C = τ/R
Consejo de aplicación de ingeniería:
Adecuado para un rango de capacidad de 1 μF-1000 μF
Necesidad de considerar el efecto de la resistencia interna del multímetro
Se recomienda utilizar una fuente de señal de onda cuadrada para mejorar la precisión
Sugerencias de pruebas completas:
Priorizar el uso de la medición directa de la capacitancia
Fallos difíciles utilizando múltiples métodos de verificación cruzada
Los condensadores de alto voltaje deben probarse con equipos especializados
El establecimiento de registros de pruebas para rastrear la tendencia de deterioro
Nota: Todas las pruebas deben cumplir con los códigos de seguridad eléctrica, ¡los condensadores de alto voltaje deben estar completamente descargados antes de la prueba!
Aperitivos en PCB
Función de acoplamiento
Los condensadores actúan como componentes de acoplamiento en los circuitos, transmitiendo eficazmente señales de baja frecuencia y permitiendo la amplificación de la señal mientras aíslan los puntos de funcionamiento de CC de las etapas del circuito adyacentes para evitar interferencias mutuas. Para garantizar la transmisión eficiente de los componentes de la señal de baja frecuencia, los condensadores electrolíticos de gran capacidad (normalmente en el rango μF) se utilizan comúnmente como condensadores de acoplamiento en el diseño.
Función de filtrado
En los circuitos de suministro de energía, los condensadores filtran el ruido de alta frecuencia de las señales de CA, proporcionando una salida de CC suave. Específicamente, los condensadores electrolíticos grandes estabilizan el voltaje de CC pulsante a través de procesos de carga y descarga. Para mejorar la estabilidad de la fuente de alimentación, los condensadores electrolíticos que van desde decenas hasta cientos de microfaradios a menudo se conectan en paralelo en la salida de potencia y la entrada de carga para suprimir las fluctuaciones de voltaje causadas por las variaciones de carga.
Función de almacenamiento de energía
Los condensadores sirven como componentes de almacenamiento de energía, almacenando carga y liberándola rápidamente cuando es necesario para proporcionar alta corriente instantánea o actuar como fuente de energía de respaldo. Además, los condensadores pueden formar circuitos de temporización RC con resistencias para lograr retardos de tiempo precisos o funciones de temporización, ampliamente utilizadas en circuitos de control secuencial.
Utilización y optimización de la capacitancia parásita
En el diseño de PCB de alta velocidad, la capacitancia parásita se puede aprovechar estratégicamente para mejorar el rendimiento del circuito. Por ejemplo:
Ajuste de los diseños de traza para utilizar la capacitancia parásita para la coincidencia de impedancia.
La estructura de placa paralela formada por planos de potencia a tierra crea capacitancia distribuida, proporcionando almacenamiento de carga de baja impedancia para componentes de alta velocidad para satisfacer las demandas instantáneas de alta corriente.
Conclusión
Los condensadores exhiben multifuncionalidad en el diseño de PCB. Su selección y ubicación deben optimizarse en función de los requisitos específicos del circuito (por ejemplo, características de frecuencia, necesidades de almacenamiento de energía, supresión de ruido) para lograr un rendimiento óptimo.