Aplicaciones Cap Electroliticos

Aplicaciones capacitores electrolticos, pg 1

Aplicaciones de los capacitores electrolticos.(Informe capacitores electrolticos, continuacin).

Tecnologa Electrnica, UTN, FRBB, ao 2006

Integrantes del grupo:

Antivero Mauro. Flores Ocampo Diego. Christian Galasso.

Contenido:

2- Enumeracin aplicaciones y nomenclatura. Corriente de ripple

3- ESR e impedancia del capacitor electroltico.

4- Clculo de los elementos del modelo para un capacitor en particular.

5- Variacin de impedancia y ESR del capacitor utilizado.

6- Variacin de la fase presentada por el capacitor con la frecuencia.

7- Factor de disipacin o tg(delta), clculo de ESR.8- Clculo de vida til del capacitor.

10- Aplicaciones: Fuente de alimentacin lineal, filtro a capacitor de

entrada.

14- Convertidores DC-DC e inversores.

15- Amplificadores clase AB.

17- Bibliografa, notas sobre ste documento.


Aplicaciones de los capacitores electrolticos.(Informe capacitores electrolticos, continuacin).

Con potencial DC mayor o igual que la tensin alterna superpuesta, se los puede encontrar en:

Como filtros de entrada en fuentes de alimentacin lineal (slo o asociado con un inductor). Filtros de salida en convertidores DC-DC y de entrada en inversores.

Capacitor de acoplamiento de carga en amplificadores clase AB de potencia de audio.

Como casos ms representativos.

En stas aplicaciones, las especificaciones ms importantes del capacitor, adems de su tensin deoperacin, es la corriente de ripple eficaz que pueden soportar hasta una cierta temperatura.

Nomenclatura: VR, Vn: voltaje nominal, especificado. fr: frecuencia de ripple. Vs: tensin de sobre voltaje. Pc: potencia activa en el capacitor. DF: factor de disipacin o tg IL: corriente de prdida (leakage). Lc: vida del capacitor. ESR: resistencia serie efectiva. ESL: inductancia serie efectiva. Ta: temperatura ambiente. To: temperatura de referencia.

Corriente de ripple.

La corriente en el capacitor producir una disipacin de potencia en el mismo, dada principalmentepor la ESR.

PC = Ir2eficaz ESR =

i=0

n

Iri2 ESR 1) para rgimen poliarmnico.

El fabricante especifica en vez de la disipacin de potencia, la corriente de ripple mxima quesoporta el capacitor Irmax a 120Hz y 85 o 105C.Pero, a medida que la frecuencia fundamental de ripple aumenta, las condiciones de operacin sevuelven ms exigentes, al cumplirse:

ict = Cddt

Vosen t = CVocos t

A mayor frecuencia, mayor ser la corriente por el capacitor a la misma tensin pico de seal.Como ESR no se mantiene constante, y para poder conocer que Irmax podr aplicarse a unafrecuencia distinta de 120Hz, el fabricante suministra multiplicadores de Ir segn la frecuencia.


Ejemplo: Capacitores serie NX de Nichicon:

fr[Hz] 60 120 360 1K >10KKf 0,82 1 1,2 1,35 1,4

Lo que indica que para fr > 10KHz, la Irmax es un 40% para la misma temperatura ambiente.Tericamente, el capacitor puede disipar al misma potencia tanto a 120 Hz como a f Hz, entonces:

Ir2120Hz ESR 120Hz = Ir

2f Hz ESR f Hz y despejando la Ir a la frec. desconocida:

Ir f Hz = ESR 120Hz ESR f Hz Ir 120Hz 2)K f = ESR 120Hz ESR f Hz 3) Factor de correccin de ripple con la frecuencia.

Los fabricantes tambin suelen proporcionar multiplicadores de Ir segn Ta, si se puede asegurarque el capacitor trabajar siempre con Ta< 85C o 105C, lo que permite una mayor Irmax.

Ejemplo: Para capacitores Mallory tipo SH: Para capacitores Xicon ESRL:


Teniendo en cuenta el modelo de un capacitor electroltico:

ESRef = ESRRp

1CRp 2 4)

Xcef = ESLCRp

2

1CRp 2 5)

Zc = ESRef jXcef 6)

Fig 1: Circuito equivalente capacitor electroltico.

A partir de los datos suministrados, pueden deducirse los componentes del modelo, si:

tg = Cef ESRef y Cef = tg

ESRefpor lo que Xcef =

1Cef

De 4) y 5) puedo despejarse:

ESL = CRp

2

1CRp 2

12Cef

7)

ESR = ESRefRp

1CRp 2 8)

La resistencia de prdida paralelo puede calcularse como: Rp = WVDC

Ileak9)

Siendo WVDC la tensin nominal de 63V.Para ste caso, los valores de los elementos son:C=1000 uFESL=35,744 uHESR=0,12998 ohmsRp=99,52 Kohms.

La variacin de la impedancia del capacitor se puede ver en Fig 2, y se obtiene que:Zo=0,329504 ohms fo=1676,942824 Hz


Fig 2: Variacin de la impedancia del capacitor de 1000 uF 63V tipo SH.

Fig 3: Variacin de ESR efectiva con la frecuencia.


Fig 4: Variacin de la fase del componente con la frecuencia.

Fig 5: Detalle de variacin de la fase del componente en baja frecuencia.


Fig 6: Variacin de ESR con la frecuencia para un capacitor electroltico de montaje superficial.

El comportamiento en frecuencia del capacitor se especifica con la impedancia a 100 KHz y el DFa 120Hz, para temperaturas cercanas a los 25C. Esta frecuencia no es arbitraria, al ser la fr de unrectificador monofsico onda completa en 50/60Hz, que es el campo de aplicacin ms comn destos capacitores.Como se muestra en Fig 2, un mismo capacitor puede soportar una corriente de ripple mayor amedida que la frecuencia de trabajo aumenta.

Factor de disipacin o tg

Puede darse en porcentaje o en valor directo. Se suministra para 120 Hz y una temperatura de 20 o25C para distintos rangos de tensin de operacin. En general, un capacitor de mayor VR posee unDF menor (mayor calidad).Se especifica tambin un incremento en DF para capacitores mayores a 1000 uF, que se debesumar cada 1000 uF agregados (los capacitores de mayor valor poseen mayores prdidas).

Ejemplo: Para un capacitor de 1000 uF 63V, Mallory tipo SH, DF=10% @ 25C, 120Hz.

DF% = PPq

x100 10) Por lo que tg = 0,1

De aqu puede obtenerse el ESR, si no es suministrado:

ESR = tg C

= 0,1

6,28.120Hz.1000 F = 0,132

Y el valor dado de ESR para 120Hz, 25C es de 0,13 ohms. Es correcto.

Se especifica que para Cn > 1000 uF, cada 1000 uF agregados, se le sume 2% a DF. Otros, comoXicon, especifican en valor absoluto, y a DF se le debe agregar 0,02.


Vida til del capacitor.

La velocidad de disipacin de calor del electrolito se duplica cada 10C de diferencia entre la Tinterna y la del ambiente. A menor Ta, > dT, y mayor disipacin de calor puede conseguirse.En stas condiciones, la vida del capacitor puede calcularse (segn Panasonic):

Lc = Lo2ToT

10 11)

Donde Lo: Vida media del capacitor a To. Dada para 85C mximo o 105C.Para un valor orientativo, los capacitores que poseen el rango indicado en el cuerpo delcomponente, tomar:

Rangotemperatura

Lo a 85C

-40C a 85C


Ejemplo: si busco que el capacitor posea una vida de 5 aos operando las 24 hs con Ta


Coeficiente de aceleracin para T :

T+dT < 90C K=10T+dT > 90C K=2,5

2T

K 1 a K A menor potencia disipada por el capacitor, menor degradacin de la vida til.

Como T depende de Ir, si la temperatura ambiente ser alta (~ 85C), la nica forma deaumentar la confiabilidad es disminuir Ir, lo que se logra colocando unidades en paralelo.

Aplicaciones.

Fuente de alimentacin lineal. Filtro a capacitor de entrada.

Las especificaciones comunes a los 4 diseos son:

Tensin de salida media E =20V

Ripple de salida: r%=5

Frecuencia de lnea: f=50 Hz

Rs/R% = 10 % constante

Con Rs: resistencia efectiva de secundario, R: resistencia de carga.El diseo por el mtodo grfico de Schade permite dimensionar el capacitor segn el ripple desalida deseado, los diodos (especificando la corriente pico repetitiva Irep y la corriente media porlos mismos Iod), y el transformador a usar (tensin eficaz de secundario Vpsec*0,707).

La tensin de salida medida en cada caso ser inferior a la calculada debido a que el mtodo no tuvoen cuenta la cada de tensin en los diodos a Imed (que va desde 0,6V hasta 1,5V) ni la ESR delcapacitor. Como regla: Para rectificadores con punto medio, tomar 0,707*(Vpsec+1V) como tensin eficaz de cada

seccin del secundario. Para rectificador onda completa puente, tomar 0,707*(Vpsec+2V) como tensin eficaz del

secundario del transformador.

Por diseoN Io [A] R Rs C Vpsec1 0,1 200 20 220 uF 25V 27V2 0,5 40 4 1000 uF 25V 26,67V3 1 20 2 2200 uF 25V 26,67V4 6 3,33 0,33 14100 uF 25V 26,67V


El ripple de salida o porcentaje de ripple r%, se define como:"El cociente entre el valor eficaz total de las componentes de alterna sobre el valor de continua omedio E"

r% =

i=0

n

Vri2

E100 =

Vr totalE

1007)

Para medir slo el ripple, requiero un circuito que bloquee E (C2-R5, fc=7,2 Hz).

Fig 8: Circuito de la fuente para el diseo 1, baja corriente.

MedicionesIrep Ir (RMS) E [V] Vr(RMS) [V] r%

311,44 mA 121,72 mA 19,42 0,8272 4,251,4 A 0,548 mA 18,28 0,8223 4,503,08 A 1,19 A 19 0,8043 4,2316,83 A 5,47 A 18,26 0,7253 3,97


Fig 9: Circuito para el diseo 4, alta corriente. La corriente de ripple se mide sobre la barra queconecta el banco de capacitores a los diodos.

Los datos de los capacitores usados, para el fabricante elegido y familia (Mallory, tipo SH, largavida), para 120Hz, 25C ESR y 120Hz 105C Irmax.

Capacitor ESR [ohms] Irmax [mA]220 uF 25V 0,97 2501000 uF 25V 0,21 8552200 uF 25V 0,11 12304700 uF 25V (x3 en //) 0,07 1690

Para el diseo 2, se tomaron mediciones variando el ESR del capacitor:

ESR [ohms] E [V] Vr(RMS) r%0,21 18,28 0,8223 4,50,5 18,19 0,8431 4,631 18,04 0,9251 5,12

Conclusin respecto a ESR:A mayor ESR, menor tensin media de salida y mayor porcentaje de ripple. Esto se debe a que ESRforma un divisor de tensin junto con R al momento del corte de los diodos D1 y D2, disminuyendoel aporte de energa a la carga, y con D1 o D2 conduciendo, disminuye la carga del capacitor defiltrado.La eficiencia de la fuente de alimentacin depende de ESR del capacitor de filtro, ya que aldisminuir E, disminuye la potencia de salida a igual potencia de entrada.


Capacitores en paralelo, diseo 4.

Para alcanzar los 12000 uF obtenidos por clculo, se adopt el usar 3 capacitores de 4700 uF, lo quetotaliza 14100 uF, que como en los tres diseos anteriores, es superior al valor calculado para podercompensar la tolerancia de los capacitores electrolticos (-20%, +50%).Al tener 3 capacitores, la corriente de ripple debe medirse en la conexin de los capacitores a losdiodos (a travs de Rbarra, que modeliza la resistencia de la barra conductora) y por uno de loscapacitores. As:

Irt(+)=3,74A Irt(-)=-5,7A Ir(RMS)=5,47AIC1(+)=3,74A IC1(-)=-1,9A IC1(RMS)=2,17A

Valor que supera a la Irmax a 105C y 120Hz. Si aseguro que Ta


Curvas de corriente obtenidas para los diseos 1 y 4.

Puede apreciarse la corriente por uno de los diodos (la que posee medio ciclo en cero), la corrienteen el capacitor y el valor eficaz de la corriente de ripple:

Fig 10: Corrientes por el diodo D2 y capacitor de filtro para el diseo 1.

Fig 11: Corrientes por el diodo D2 y capacitor de filtro para el diseo 4.


Convertidores DC/DC e inversores.

Fig 12: Esquema de un convertidor AC-DC push-pull.

En lo que respecta al capacitor de filtrado C, se encuentra sometido a la misma frecuencia de lneaque el capacitor de filtro de una fuente lineal, pero la corriente de ripple posee una forma totalmentedistinta, al ser la carga inductiva y conectada y desconectada alternativamente por los transistores.

As, Ir ser ahora funcin del ciclo de trabajo D y de la corriente media en la carga IL o la corrientepico de carga del capacitor:

Ir = Ic D1D = IL1DD [A ] 13)En la prctica, es esperable una Ir (RMS) de 2 a 4 veces la corriente de carga IL.El trabajar con ciclos de trabajo cortos y altos valores de Ic (como en un convertidor step down conentrada de alta tensin) somete al capacitor a mayores Ir (RMS).Como el contenido espectral de Ir en stos circuitos es amplio, el ciclo de trabajo D puede hacer que

PcIr o PcIr2

Ejemplo: Con E=280V, IL=1A:Para D=0,5:

Ir = 1A 10,50,5 = 1APara D=0,1:

Ir = 1A 10,10,1 = 3A Notar como al disminuir el ciclo de trabajo, la exigencia aumenta.


Amplificadores clase B / AB.

El capacitor suele usarse como acoplamiento para ste tipo de amplificadores para fuente simple,con una funcin doble, la de acoplar la carga, y la de servir de fuente de alimentacin para eltransistor que entrega corriente en el ciclo negativo:

En ste tipo de circuito se dan dos casos.

1- Con f >> fL (frecuencia de corte inferior).2- Con f ~ fL (frecuencias cercanas a la de corte).

El rango de frecuencias a cubrir va desde 20 Hz a 20 KHz.Segn la Fig 2, en ste rango de frecuencias la Zc es aproximadamente igual a ESR efectiva y sta puede tomarse igual a la ESR.

Fig 13: Etapa de salida amplificador de AF.

1- Frecuencias altas. No se aplica la especificacin de corriente de ripple a 120 Hz, al trabajar elcapacitor como una impedancia de valor bajo, similar a la ESR:

La corriente eficaz por el capacitor ser:

IRL = PoRL = 100W8 = 3,53A

Con CL=1000 uF 63VIrmax=1,2A*1,4=1,68 A (por trabajar en alta frecuencia).ESR=0,13 ohms

La potencia a disipar por el capacitor, segn la 1):

Pc = ESR IRL2 = 0,133,53A 2 = 1,61W

Si considero que la temperatura ambiente no superar los 70C, puedo utilizar el multiplicador por temperatura de 1,8: Irmax (


Y la potencia que puede disipar el dispositivo a sta temperatura ser:

Pcmax = ESR Irmax2 = 0,133,024 A 2 = 1,18W

Como conclusin, el condensador elegido no puede soportar las condiciones de trabajo establecidas.Se deben adoptar dos unidades de 1000 uF 63V en paralelo.

2- Frecuencias cercanas a la frecuencia de corte fLExiste descarga del capacitor. Si el ciclo negativo posee una duracin de aproximadamente 0,1 de laconstante de tiempo de salida, tendr una tensin de ripple sobre el capacitor de:

vCL t = Vcc2

e0,1 = 0,9048Vcc2

y VCL = Vcc2

0,9 Vcc2

= 0,1Vcc2

= 3,8V

Para ste ejemplo, con L = CLRL = 8ms

El ciclo negativo de la seal tendr una duracin de: 0,8 ms.Como el condensador se encuentra en la zona de descarga lineal, la corriente por el mismo serconstante e igual a:

Ir = CLVCL t

= 103F3,8V

0,8.103s = 4,75A

Siendo sta condicin ms exigente que la anterior y obligando a trabajar s o s con doscondesadores en paralelo en la salida si se desea durabilidad y fidelidad del conjunto.

Bibliografa.

http://www.sourceresearch.com/xicon/electro.cfmhttp://www.sourceresearch.com/mallory/Mallory-pdf.cfmhttp://www.sourceresearch.com/nte/NTE-pdf.cfm?pdfpage=npr-npa.pdfhttp://www.powerdesigners.com/InfoWeb/design_center/Design_Tips/Electrolytics/Caps.shtmSelecting and applying electrolytic capacitors for inverter applications - Parler, Dubilier.

Sobre ste documento:Documento editado con:Open Office.org v1.1.4 (www.openoffice.org).Xcircuit v1.6 (www.ibiblio.org/pub/linux)GIMP v1.2.5 (www.gimp.org)

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