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Las formas de onda y las especificaciones transientes establecen los requerimientos para la cantidad de capacitancia a necesitar en un sistema de potencia, pero también asignan límites en los elementos parasitarios de los condensadores.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

Al trabajar en un sistema de potencia, las formas de onda y los transientes establecen los niveles de capacitancia a requerir en el circuito, no obstante existen diversos condensadores desarrollados con diferentes materiales que de entrada arrojan diferentes valores para sus elementos parasitarios.

Los fenómenos parasitarios de los capacitores pueden ser identificados en cuatro grupos principales, como se aprecia en la siguiente ilustración:

En esta ilustración el ESR (Resistencia Equivalente en Serie) y la ESL (Inductancia Equivalente en Serie) son prácticamente los dos componentes parasitarios básicos del condensador. El ESR limita el valor mínimo de impedancia obtenido y resulta sumamente importante para el filtrado, ya que una ESR alta podría obstaculizar o impedir que la atenuación fuera de banda sea la correcta. En principio se debe modelar como una resistencia en serie con el capacitor y limitar la mínima impedancia que sea posible obtener.

Para el ESL, se define como la inductancia parasitaria en serie que implica la obtención de una frecuencia en el capacitor que hace que el condensador ya no se comporte como tal sino como una bobina y de esta manera trabaja como una bobina en serie con el capacitor.


A partir de un punto, el ESR puede ser dominante


Al igual que el ESR, el ESL puede ser dominante partiendo de un punto

Es importante reconocer que existen valores variados en los condensadores debido a su estructura prima, pudiendo ser cerámicos, electrolítico aluminio y polímero aluminio, y todos deben ser analizados contra la frecuencia del componente.

En la siguiente figura se presenta la relación de 3 tipos distintos de capacitores y sus relativos valores de capacitancia, ESR y ESL.

Con los valores mostrados en esta tabla se pueden apreciar los valores utilizados para generar las curvas. Esos son valores típicos que se pueden encontrar en un voltaje balo (1V – 2.5 V) y una corriente media (5A) para una fuente ‘sync-buck’.

A bajas frecuencias, los tres condensadores antes mostrados en la tabla no muestran signos de componentes parasitarios ya que la impedancia está limpia como una sola función de capacitancia. Sin embargo, en el caso del capacitor electrolítico aluminio, la impedancia para y comienza a mirarse como una resistencia a una frecuencia relativamente baja. Esta etapa de resistencia se extiende a frecuencias relativamente altas donde el condensador se vuelve inductivo.

El capacitor de polímero aluminio representa la siguiente generación de condensadores para desviarse de lo ideal. De manera interesante, este componente también cuenta con un bajo ESR y su ESL se convierte en un valor aparente.

Finalmente el condensador cerámico también cuenta con un bajo ESR, pero desde que tiene una dimensión menor, su ESL es menor que la de los capacitores de polímero aluminio y electrolítico aluminio.

Los elementos parasitarios alteran la impedancia de manera distinta en los diferentes capacitores

Los elementos parasitarios también pueden crear diferentes voltajes de ondas en un ‘syn-buck’ continuo

Hasta ahora, hemos analizado cómo afectan los componentes parásitos la funcionalidad de los distintos condensadores, sin embargo existen otros factores que se deben considerar como lo es el estado de las formas de onda en un ‘flyback’ continuo, y cómo se incrementa donde la corriente de salida de un condensador es tanto positiva y negativa con cambios de estado rápidos. Para darse una idea, este fenómeno puede ser analizado mediante la siguiente ilustración:

En la anterior figura se muestran formas de onda que han cambiado con una fuente conmutada en modo flyback continuo, o bien se incrementa su corriente de salida. En la línea color rojo se puede ver un valor aparente, que significa el voltaje generado por la ESR. Como resultado se obtiene una onda cuadrada.

El voltaje del capacitor (mostrado en esta última figura) es simplemente la integral de una onda cuadrada. Esto resulta en una carga lineal y descarga, que es mostrado en color azul cuando la corriente cambia durante una transición. Esto puede ser algo alto, dependiendo de la corriente de salida y si tiempo de crecimiento.

Es importante notar que en el caso del trazado en color verde, se encuentra dividido por 10, lo cual asume una transición de corriente de 25 nS. Esos picos inductivos son una de las principales razones para que a menudo se vea un filtro de dos niveles en una fuente conmutada flyback o en un incremento de potencia.

Resumen

En este breve artículo hemos analizado cómo la impedancia de un capacitor de salida ayuda a mejorar el rendimiento ondulatorio y tansiente. Cuando las frecuencias aumentan, los componentes parásitos se convierten en factores importantes que no deberían ser ignorados por los ingenieros.

También recordamos que cercano a los 20 kHz, el ESR de un capacitor electrolítico aluminio es suficientemente grande como para dominar la capacitancia-impedancia. A 100 kHz, algunos condensadores de polímero aluminio se vuelven inductivos. Con esto, es importante valorar la identificación de los elementos parasitarios en nuestros capacitores que utilizaremos en nuestros proyectos, a fin de resguardar el óptimo desempeño de nuestros sistemas.

Fuentes de información:

Seminario “High Speed Analog Design and Application Seminar” – Texas Instruments / “Be aware of capacitor parastitics” Autor: Robert Kollman, ingeniero de campo de TI.

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