Comparación entre condensadores cerámicos multicapa y de tántalo

Introducción

Los condensadores de tántalo(Ta) y los condensadores cerámicos multicapa (ML CC) son dos condensadores muy utilizados en aplicaciones electrónicas. Aunque las tecnologías de construcción y los materiales de los condensadores de tántalo y los MLCC son bastante diferentes, sus funciones básicas siguen siendo las mismas. Actuando como una batería temporal, los condensadores mantienen constante la tensión continua proporcionando cargas. Los condensadores también pueden utilizarse en circuitos de canal de derivación como filtros unipolares. Incluso pueden conectarse con resistencias e inductores para hacer circuitos de filtro de alto orden.

Aunque los condensadores de tántalo y los MLCC funcionan ambos como condensadores, tienen muchas diferencias desde la fabricación hasta sus parámetros durante el uso. Antes de presentar sus diferencias, obtengamos primero información básica sobre los condensadores. Para un condensador de placas paralelas, su valor de capacitancia debe calcularse mediante la siguiente ecuación.

C = εr*ε0*A/d

C = capacidad (F)

A = el área de solapamiento de las dos placas (m2)

εr = permitividad relativa/ constante dieléctrica (εr viene determinada por el material entre las placas)

ε0 = la constante eléctrica (8,854 * 10-12 F*m-1)

d = la distancia entre dos placas (m)

La capacitancia es uno de los parámetros importantes a la hora de elegir un condensador. Debido a la pequeña distancia, las grandes áreas de las placas y la alta constante dieléctrica Ta2O5, los condensadores de tántalo suelen tener grandes valores de capacitancia/volumen.

Este artículo comparará los condensadores de tántalo y los MLCC en estos aspectos: la curva de impedancia, la inductancia parásita (ESL), la resistencia en serie equivalente (ESR), los efectos de templado y los efectos microfónicos. Todas las comparaciones se limitan a condensadores con capacitancia y tamaño similares.

Información básica sobre condensadores de tántalo y MLCC

¿Qué es el condensador de tántalo?

Los condensadores de tántalo utilizan polvo y alambres de tántalo como materia prima. Al presionar el polvo de tántalo alrededor de un alambre de tántalo, se forma una pastilla de tántalo. Esta pastilla de tántalo es el ánodo del condensador. Como la pastilla es muy porosa, permite que se acumulen muchas cargas. Ésta es una de las razones de la elevada capacitancia/volumen de los condensadores de tántalo. Al formar Ta2O5 fuera del ánodo, se forma un dieléctrico. El último paso es formar un cátodo fuera del dieléctrico utilizando Mn(NO3)2 para hacer la capa catódica de MnO2.

La figura 1a es un condensador de tántalo tradicional que utiliza un hilo de tántalo para conectar el ánodo al circuito. La figura 1b es un condensador de tántalo nuevo y pequeño que se ha introducido en el mercado en los últimos años. Suele utilizarse en entornos de alta densidad de componentes y espacio limitado en la placa. Su ánodo se fabrica prensando una oblea de tántalo con polvo de tántalo [2].

Figura 1a y b: un condensador de tántalo de estilo moldeado (arriba) y un condensador de tántalo de estilo microchip (abajo) [2].

¿Qué es un condensador cerámico multicapa?

A diferencia de los condensadores de tantalio, los condensadores cerámicos tienen una capa más gruesa y un área de placa superpuesta más pequeña, lo que significa menor capacitancia/volumen. El TiO2 y el BaTiO3 son los dos materiales más utilizados en los MLCC. La figura 2 muestra los componentes de un MLCC.

Figura 2: Un condensador cerámico multicapa [2]

Entre los MLCC, existen 2 grupos diferentes: clase 1 y clase 2. Los condensadores cerámicos de clase 1 utilizan materiales cerámicos que no son sensibles a los cambios de temperatura. Por lo tanto, su capacitancia no cambiará significativamente de una temperatura baja a una temperatura alta, como de -25℃ a 80℃. Los condensadores de clase 1 suelen estar fabricados con TiO2 y tienen una εr relativamente baja.

Por el contrario, los condensadores de clase 2 son sensibles a la temperatura. Están hechos de materiales ferroeléctricos como BaTiO3, Al2SiO5, y MgO:XSiO2. Los condensadores de clase 2 tienen una εr relativamente alta pero una precisión y estabilidad bajas.

Los condensadores cerámicos utilizan el código EIA para mostrar la estabilidad de los condensadores en un rango de temperaturas. La figura 3 muestra la media de cada código. Por ejemplo, X7R significa que la capacitancia varía ±15% de -55℃ a 125℃.

Figura 3: Tabla de códigos EIA [2]

¿Cuál es la diferencia entre los condensadores de tántalo y los MLCC?

Impedancia y resistencia en serie equivalente

La impedancia, la inductancia parásita (ESL) y la resistencia en serie equivalente (ESR) pueden dar mucha información sobre el funcionamiento del condensador. La ESL y la ESR pueden calcularse con analizadores de impedancia. Una ESL y ESR más pequeñas significan mejores condensadores. La figura 4 muestra la impedancia y la ESR de un MLCC de 4,7µF, Y5V, 16V y un condensador de tantalio de 4,7µF, 16V [1].

Figura 4: Curvas de impedancia y ESR de condensadores cerámicos y de tántalo de 4,7uf [1].

A bajas frecuencias, sus impedancias son iguales, lo que significa que sus valores de capacitancia son iguales. A medida que aumenta la frecuencia, la ESR del condensador cerámico es mucho menor que la del condensador de tántalo. En cuanto a las curvas de impedancia, ambas muestran una forma en "V" que primero disminuye y luego aumenta. La primera parte decreciente se ve afectada por el aumento del valor capacitivo. A continuación, se produce la constitución inductiva (ESL) que desplaza la curva de impedancia hacia arriba. Volviendo a la figura 4, la ESL del condensador cerámico es mucho menor que la del condensador de tántalo si nos fijamos en el final de las curvas de impedancia. Esto se debe principalmente a los marcos de plomo utilizados en el encapsulado de tántalo [1].

Efectos de la temperatura

Como ya se ha mencionado, los condensadores cerámicos de Clase 1 son insensibles a la temperatura, mientras que los de Clase 2 sí lo son. La figura 5 ilustra que la capacitancia de los condensadores de tántalo tiene una relación lineal con la temperatura, mientras que la capacitancia de los condensadores cerámicos de Clase 2 tiene una relación irregular con la temperatura.

Figura 5: Variación de la capacitancia en función de la temperatura para condensadores de Ta, cerámicos de clase 1 y cerámicos de clase 2 [2].

Efectos microfónicos

Cuando los condensadores se utilizan en aplicaciones de audio, el efecto microfónico o piezoeléctrico se convierte en una de las características importantes a la hora de seleccionar los condensadores [1]. El BaTiO3, ampliamente utilizado en los MLCC, muestra efectos microfónicos. Sin embargo, los condensadores de tántalo no muestran efectos microfónicos. Al probar condensadores de 1µF, obtenemos la figura 6, que confirma aún más que los condensadores cerámicos de clase 2 producen efectos microfónicos.

Figura 6: Efecto microfónico de los condensadores cerámicos y de tántalo [1].

Conclusión

No hay una respuesta sencilla para decir qué condensador es mejor, ya que ambos son buenas opciones. Los condensadores de tántalo tienen una vida útil más larga, mayor capacitancia/volumen y mayor estabilidad; los MLCC tienen menor inductancia y ESR. Puede elegir según su aplicación específica. La siguiente tabla muestra las diferencias entre los condensadores de tántalo y los condensadores cerámicos multicapa.

Stanford Advanced Materials (SAM) suministra tanto condensadores de tantalio como condensadores cerámicos multicapa. Si sigue teniendo dificultades para elegir un condensador, puede proporcionar la información de su aplicación a nuestro personal técnico para que le asesore.

Referencia:

Cain, J. (s.f.). Comparación de condensadores cerámicos multicapa y condensadores de tántalo.

Zedníček, T. (2022, 1 de junio). The basics & benefits of tantalum vs ceramic capacitors. Blog de componentes pasivos. Extraído el 11 de enero de 2023, de https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/