Los componentes activos, como los transistores y los circuitos integrados, utilizan la energía de las fuentes de alimentación para modificar las señales. Por el contrario, los componentes pasivos como resistencias, condensadores, inductores y conectores no consumen energía. Sin embargo, todos los componentes pasivos contienen parásitos que pueden, y de hecho modifican la señal de formas inesperadas. Esta nota de aplicación, la Parte 1 de una serie de tres partes, analiza la capacitancia parásita.
prólogo
Los condensadores son ampliamente conocidos como dispositivos pasivos que almacenan energía en un campo eléctrico. Se utilizan en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua y pasar la corriente alterna, suavizar la salida de las fuentes de alimentación y estabilizar el voltaje y el flujo de energía. Con estas aplicaciones de gran alcance involucradas, es un paso inteligente aprender más sobre los condensadores y por qué se denominan dispositivos “no tan pasivos”.
Componentes activos y pasivos, ¿el diseño de ingeniería es realmente así de blanco y negro?
Los transistores y los circuitos integrados se consideran componentes activos porque utilizan la energía de las fuentes de alimentación para modificar las señales. Los componentes como condensadores, resistencias, inductores, conectores e incluso placas de circuito impreso (PCB), por otro lado, se denominan pasivos porque parecen no consumir energía. Sin embargo, todos estos componentes aparentemente pasivos contienen parásitos que pueden y modifican la señal de formas inesperadas. Tantos componentes que se supone que son pasivos en realidad no son tan pasivos. Parte 1 de una serie de tres partes sobre componentes pasivos, esta nota de aplicación analiza el papel positivo de los capacitores.
condensador no pasivo
Pasivo se puede definir como inerte y/o inactivo. Sin embargo, los componentes electrónicos pasivos pueden convertirse en componentes activos de los circuitos de formas inesperadas. Por lo tanto, los capacitores puramente capacitivos no existen. Todos los capacitores tienen inherentemente parásitos (Figura 1).
Echemos un vistazo más de cerca a los parásitos activos en la Figura 1. El capacitor etiquetado como “C” es uno que nos gustaría ver. Todos los componentes restantes son parásitos no deseados. La resistencia paralela, RL, introduce una fuga de CC que puede cambiar el voltaje de polarización de los circuitos activos, afectar el factor Q de los filtros y afectar la capacidad de retención de los circuitos de muestreo y retención. La resistencia en serie equivalente (ESR) reduce la capacidad del capacitor para reducir la ondulación y pasar señales de alta frecuencia porque la inductancia en serie equivalente (ESL) crea un circuito sintonizado (es decir, un circuito con autorresonancia). Esto significa que por encima de la frecuencia de resonancia propia, el condensador parece inductivo y ya no puede desacoplar el ruido de alta frecuencia de la fuente de alimentación a tierra. Los dieléctricos son piezoeléctricos y añaden ruido debido a la vibración (CA). Esto parece una batería en un capacitor C (no se muestra). El efecto piezoeléctrico del estrés de la soldadura de enfriamiento puede cambiar el valor del capacitor. Los condensadores electrolíticos polarizados pueden tener diodos parásitos (no se muestran) en serie, que rectifican las señales de alta frecuencia y pueden alterar la polarización o agregar una distorsión no deseada.
Las baterías pequeñas SB1 a SB4 muestran uniones Seebeck donde metales diferentes (termopares parásitos) generan fuentes de voltaje. El efecto Seebeck de los conectores comunes debe tenerse en cuenta al conectar el equipo de prueba. El Apéndice J de la nota de aplicación de Jim Williams, Figura J5, muestra que el potencial termoeléctrico para un par de conectores BNC y banana oscila entre 0,07 µV/°C y 1,7 µV/°C. Esta diferencia es para conexiones simples que hacemos todos los días en el laboratorio. Multiplicando esta ganancia compensada aparentemente pequeña por 1000 se obtiene 1,7 mV.
SB2 y SB3 pueden estar dentro de un capacitor donde la lámina se conecta a los cables, o donde la metalización se conecta al revestimiento o soldadura de un componente de montaje en superficie. SB1 y SB4 indican las uniones desde el componente a través de la soldadura hasta las trazas de PCB de cobre. Las soldaduras solían ser simples con un 63 % de plomo y un 37 % de estaño. Pero ahora las soldaduras RoHS sin plomo son muy diferentes y pueden afectar el voltaje alrededor del capacitor, por lo que se debe cuestionar el contenido de la aleación.
La absorción dieléctrica, DA, o lo que Bob Pease llamó “remojo”, se puede modelar como un número infinito de diferentes constantes de tiempo RC desde DA1 hasta DAINFINITY. Cada una de estas constantes de tiempo consta de una resistencia RDA y un capacitor CDA. Bob Pease dio algunos ejemplos prácticos de cuándo “remojar” es un problema.
“Bien, ahora que apagó su televisor a color y abrió la parte trasera, ¿qué es lo primero que debe hacer antes de comenzar? Estírelo y descargue el CRT Bien, ahora que la capacitancia se ha descargado, ¿cuánto voltaje se “hundirá” en la “capacitancia” del tubo de imagen si lo deja reposar durante unos 10 minutos, lo suficiente como para crear un arco visible cuando se descargue a… eso es lo que yo llamo absorción dieléctrica. ”
Por lo tanto, un capacitor puede cambiar su capacitancia dependiendo del voltaje aplicado. Luego agregue el envejecimiento típico, la dependencia de la temperatura y las diversas formas en que un capacitor puede dañarse físicamente, y este componente pasivo simple se vuelve mucho más complejo.
Ahora tenemos que hablar sobre la resonancia propia, el problema de capacitores más común con capacitores desacoplados y una conexión a tierra deficiente. Un condensador no funcionará si la tierra es mala. La resonancia propia de la capacitancia está dominada por el efecto ESL que se muestra en la Figura 1. Sin embargo, tampoco se puede ignorar el efecto de las vías de PCB. En las frecuencias de radio, estas vías afectan la resonancia propia de los condensadores pequeños. Examine la Figura 2 y observe la curva de 1 µF.
La traza de 1 µF encuentra un mínimo a 4,6 MHz. Por encima de esa frecuencia, la ESL domina y el capacitor se comporta como un inductor. Esto demuestra que los condensadores de desacoplamiento son conductos bidireccionales para altas frecuencias. Es decir, las frecuencias altas en el bus de alimentación se comparten con tierra y viceversa. Los capacitores igualan la diferencia entre potencia y tierra.
Pensando más en las frecuencias de la señal y los condensadores, podríamos olvidarnos de los armónicos y las bandas laterales que creamos. Por ejemplo, un reloj SPI de onda cuadrada real de 50 MHz contiene un número infinito de armónicos impares. En la mayoría de los sistemas, pero no en todos, se pueden ignorar los armónicos más allá del quinto armónico. Esto se debe a que la energía es muy baja y está por debajo del nivel mínimo de ruido. Sin embargo, todavía puede causar problemas cuando los armónicos se rectifican en los semiconductores y se transforman en nuevas interferencias de baja frecuencia.
Trabajar con tolerancias de fabricación
La Figura 2 muestra que no todos los capacitores son iguales. Los capacitores de alta calidad generalmente son muy repetibles, pero algunos capacitores económicos pueden tener mayores tolerancias de fabricación a expensas de un menor costo. Algunos fabricantes “escogen” (Figura 3) o seleccionan capacitores con tolerancias más estrictas y los venden a un precio superior. Esto puede ser perjudicial si ese condensador se usa para establecer el tiempo o la frecuencia del sistema.
La curva sólida (negra) en la Figura 3 es la desviación estándar para un buen proceso de fabricación. La nota de aplicación 4301 de Maxim Integrated, “The Zero-Transistor IC, a New Plateau in IC Design”, usó este diagrama para resistencias, pero los datos se aplican igualmente a los capacitores. A medida que cambian las tolerancias de fabricación, cambiará la cantidad de piezas en cada recipiente. La tolerancia puede desplazarse hacia la derecha (línea verde punteada) y no producir rendimiento con una tolerancia del 1 %. Puede ser bimodal (línea discontinua gris) con más partes con tolerancias de 5% y 10% y menos partes con tolerancias de 1% y 2%.
El agrupamiento “parece” garantizar que las partes de tolerancia del 2 % sean solo de menos 1 a menos 2 y de más 1 a más 2 (es decir, no hay partes del 1 %). También parece eliminar las piezas de tolerancia del 1 % y el 2 % del contenedor del 5 %. Decimos ‘parece’ y ‘parece’ porque el volumen de ventas y la humanidad también afectan la mezcla. Por ejemplo, es posible que el gerente de una fábrica deba enviar capacitores con una tolerancia del 5 %, pero no hay suficientes para satisfacer la demanda este mes. Sin embargo, hay demasiadas piezas con una tolerancia del 2 %. Así que este mes los pone en un contenedor del 5% y los envía. Claramente, la intervención humana intencional puede sesgar y sesga las estadísticas y los métodos.
¿Qué significa esto para nuestros capacitores pasivos? Necesitamos entender que la tolerancia que esperamos, digamos ±5%, puede tener un agujero de ±2% en el medio. Esto debe tenerse en cuenta si el capacitor controla las frecuencias o tiempos críticos. También puede significar que debe planear corregir variaciones más amplias en su calibración.
Efecto de la soldadura en el rendimiento pasivo
La soldadura introduce tensión en los condensadores, especialmente en los componentes de montaje superficial. Ese estrés crea un voltaje piezoeléctrico oscilante que puede romper el capacitor e incluso hacer que falle más tarde.
Es impresionante que esté correctamente soldado por reflujo. La tensión superficial de la soldadura fundida hace que las piezas giren y se alineen como por arte de magia. Pero un mal perfil de temperatura de soldadura puede dañar su dispositivo. ¿Alguna vez ha visto un condensador parado en un extremo como una lápida? Esto puede suceder si la rampa de temperatura de la soldadura es incorrecta. Siga siempre las recomendaciones de perfiles de soldadura del fabricante. Algunos componentes son sensibles a la temperatura, por lo que el ensamblaje de la placa puede requerir dos o más soldaduras con diferentes temperaturas de fusión. La mayoría de los componentes del circuito se sueldan primero con la soldadura de punto de fusión más alto, luego los componentes “sensibles” se sueldan a temperaturas más bajas. La soldadura debe usarse en el orden correcto para evitar que las piezas soldadas al principio del proceso se suelden más tarde.
resumen
Cuando hablamos de componentes pasivos como condensadores, debemos recordar que todos estos dispositivos contienen parásitos que pueden alterar la señal. Por supuesto, el impacto de esto depende de la intensidad de la señal. La conexión a tierra (punto de estrella), el blindaje del capacitor de desacoplamiento, la protección, el diseño, el efecto Seebeck, la construcción del cable, la soldadura del conector, etc. son importantes si desea medir microvoltios. Nuestros esquemas generalmente enmascaran esto, pero es aceptable hasta que busque pequeños ruidos o voltajes.
Recuerde que los capacitores pasivos son solo un componente, en realidad son más activos de lo que parecen. Hay efectos sutiles de componentes parásitos, tolerancias, calibración, temperatura, envejecimiento e incluso métodos y prácticas de ensamblaje que afectan el rendimiento del dispositivo. Sabiendo eso, debe comprender los posibles errores que se pueden acumular con una gran cantidad de condensadores. Las futuras notas de aplicación de esta serie de tres partes explorarán otros llamados componentes pasivos, como resistencias, potenciómetros, interruptores y PCB de perfil sorprendentemente bajo.
Finalmente, AVX y Kemet son compañías de capacitores que identifican componentes parásitos y brindan herramientas Spice gratuitas. 7 Estas herramientas de Spice se pueden utilizar para representar gráficamente el rendimiento real de los condensadores. Las notas de aplicación en ambos sitios web también son muy útiles.