Capacidad y uso de condensadores
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<strong>Capacidad</strong> y <strong>uso</strong> <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadoresCapacitancia o <strong>Capacidad</strong>Capacitancia (simbolo C) es una medida <strong>de</strong> la habilidad <strong>de</strong> uncapacitor o con<strong>de</strong>nsador para almacenar carga eléctrica. Una grancapacidad significa que más carga pue<strong>de</strong> ser almacenada. Lacapacidad es medida en faradios o Faraday, su símbolo es F. Sinembargo 1F es una unidad muy gran<strong>de</strong>, son usados prefijos(multiplicadores) para mostrar los valores más pequeños:Símbolo capacitor nopolarizado* m (mili) quiere <strong>de</strong>cir 10 -3 , así 1000 mF = 1 F* µ (micro) quiere <strong>de</strong>cir 10 -6 , así 1000 µF = 1 mF* n (nano) quiere <strong>de</strong>cir 10 -9 , así 1000nF = 1 µF* p (pico) quiere <strong>de</strong>cir 10 -12 , así 1000pF = 1 nFSímbolo capacitor polarizadoCarga y Energía almacenadaLa cantidad <strong>de</strong> carga (símbolo Q) almacenada por un capacitor está dada por:Carga, Q =C×Vdon<strong>de</strong>:Q = carga in coulombs (C)C = capacidad in faradios (F)V = voltaje en voltios (V)Cuando almacenan carga, los con<strong>de</strong>nsadores están también almacenando energía:Energía, E = ½QV = ½CV² don<strong>de</strong> E = energía en joules (J).Nota que los con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>vuelven al circuito su energía almacenada. Ellos no usan la energíaeléctrica para convertirla en calor como lo hace una resistencia. La energía almacenada por uncon<strong>de</strong>nsador es mucho más pequeña que la almacenada por una batería así que no pue<strong>de</strong>n serusados como una fuente práctica <strong>de</strong> energía para la mayoría <strong>de</strong> los propósitos.Reactancia Capacitiva XcLa reactancia capacitiva (símbolo Xc) es una medida <strong>de</strong> la oposición que presenta el con<strong>de</strong>nsador ala corriente alterna (AC). Es similar a la resistencia y es medida en ohmios, Ω, pero la reactancia esmás compleja que la resistencia porque su valor <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la frecuencia (f) <strong>de</strong> la señal eléctricaque pasa a través <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador así como <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> la capacidad, C.reactancia capacitiva, Xc = 12 fCdon<strong>de</strong>:Xc = reactancia in ohmios ( Ω)f = frecuencia in Hertz (Hz)C = capacidad in faradios (F)La reactancia Xc es mayor para bajas frecuencias y pequeña a altas frecuencias. Para corrientecontinua (DC) como la frecuencia es cero, Xc es infinita (oposición total), así la regla es que loscon<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong>jan pasar la AC pero bloquean la DC.Por ejemplo un con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> 1µF tiene para una señal <strong>de</strong> 50Hz una reactancia <strong>de</strong> 3,2 kΩ, perocuando la frecuencia es más alta como a 10 kHz su reactancia es <strong>de</strong> solo 16 Ω.1
<strong>Capacidad</strong> y <strong>uso</strong> <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadoresCapacitores en serie y paraleloLa capacidad combinada (C) <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores conectadosen serie es:1/C = 1/C1 +1/ C2+ 1/C3 + ...La capacidad combinada (C) <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores conectadosen paralelo es:C = C1 + C2 + C3 + ...Dos o más con<strong>de</strong>nsadores raramente están conectados enserie en circuitos reales, pero pue<strong>de</strong> ser muy útil conectarlosen paralelo para obtener una capacidad muy gran<strong>de</strong>, porejemplo para filtrar una fuente <strong>de</strong> alimentación.Nota que estas ecuaciones son la manera opuesta paracalcular resistencias en serie y paralelo.Carga <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsadorEl con<strong>de</strong>nsador (C) en el circuito está siendo cargado<strong>de</strong>s<strong>de</strong> una fuente <strong>de</strong> alimentación (Vs) con el paso <strong>de</strong> lacorriente a través <strong>de</strong> una resistencia (R). El voltaje através <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador (Vc) es inicialmente cero peroéste se incrementa a medida que se carga el con<strong>de</strong>nsador.El con<strong>de</strong>nsador está totalmente cargado cuando Vc = Vs.La corriente <strong>de</strong> carga (I) está <strong>de</strong>terminada por el voltajea través <strong>de</strong> la resistencia (Vs - Vc):corriente <strong>de</strong> carga, I = (Vs - Vc) / R (nota que Vc seestá incrementando)En el instante inicial Vc = 0V así la corriente inicial, Io =Vs / RVc se incrementa tan pronto como la carga (Q) se iniciapara crecer (Vc = Q/C), esto reduce el voltaje a través <strong>de</strong>la resistencia y por lo tanto reduce la corriente <strong>de</strong> carga.Esto significa que la velocidad <strong>de</strong> carga se haceprogresivamente más lenta.Constante <strong>de</strong> tiempo = R × Cdon<strong>de</strong>: la constante <strong>de</strong> tiempo está ensegundos (s)R = resistencia en ohmios (Ω)C = capacidad en faradios (F)Por ejemplo:Si R = 47 kΩ y C = 22 µF, entonces la constante <strong>de</strong> tiempo es, RC = 47 kΩ × 22 µF = 1,0 s.Si R = 33 kΩ y C = 1 µF, entonces la constante <strong>de</strong> tiempo es, RC = 33 kΩ × 1 µF = 33 ms.Una gran constante <strong>de</strong> tiempo significa que el con<strong>de</strong>nsador se carga lentamente. Nota que laconstante <strong>de</strong> tiempo es una propiedad <strong>de</strong>l circuito que contiene la capacidad y la resistencia,no es propiedad solamente <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador.Durante la carga transcurrida la primer constante <strong>de</strong> tiempo 1RC se sabe que el voltaje <strong>de</strong>lcon<strong>de</strong>nsador alcanza el 63 % <strong>de</strong>l voltaje final, es <strong>de</strong>cir <strong>de</strong>l <strong>de</strong> la batería o fuente <strong>de</strong> alimentación.2
<strong>Capacidad</strong> y <strong>uso</strong> <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadoresLa gráfica siguiente muestra cómo el voltaje (V) seincrementa mientras se carga el con<strong>de</strong>nsador. Alprincipio el voltaje cambia rápidamente porque lacorriente es gran<strong>de</strong>; pero como vaya <strong>de</strong>creciendo lacorriente, la carga crece más lentamente y así lohace también el voltaje.Después <strong>de</strong> transcurridas 5 constantes <strong>de</strong> tiempo(5RC) el con<strong>de</strong>nsador está casi totalmente cargadocon su voltaje prácticamente igual al <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong>alimentación. Des<strong>de</strong> un punto <strong>de</strong> vista prácticopo<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>cir bastante razonablemente que elcon<strong>de</strong>nsador está totalmente cargado <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>5RC, aunque realmente se sigue cargandoin<strong>de</strong>finidamente (o mientras el circuito estáconectado).Gráfica que muestra la corriente y elvoltaje durante la carga <strong>de</strong> uncon<strong>de</strong>nsadorconstante <strong>de</strong> tiempo = RCTiempo Voltaje Carga0RC 0.0V 0%1RC 5,7V 63%2RC 7,8V 86%3RC 8,6V 95%4RC 8,8V 98%5RC 8,9V 99%Descarga <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsadorEl gráfico muestra cómo la corriente (I) <strong>de</strong>crece a medida que se <strong>de</strong>scarga el con<strong>de</strong>nsador. Lacorriente inicial (Io) está <strong>de</strong>terminada por el valor inicial <strong>de</strong>l voltaje sobre el con<strong>de</strong>nsador (Vo) y elvalor <strong>de</strong> la resistencia(R):corriente inicial , Io = Vo / R.Nota que el gráfico <strong>de</strong> la corriente tiene la misma forma tanto para la carga como para la<strong>de</strong>scarga <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador. Este tipo <strong>de</strong> gráfico es un ejemplo <strong>de</strong> una caída exponencial.La gráfica muestra como el voltaje (V) disminuye amedida que el con<strong>de</strong>nsador se <strong>de</strong>scarga. Al principio lacorriente es gran<strong>de</strong> porque el voltaje es gran<strong>de</strong>, la cargase pier<strong>de</strong> rápidamente y así lo hace también el voltaje.Como se vaya perdiendo carga el voltaje se veráreducido haciendo la corriente más pequeña así lavelocidad <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga se hace progresivamente máslenta.Después <strong>de</strong> 5 constantes <strong>de</strong> tiempo (5RC) el voltaje através <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador es casi cero y po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>cirrazonablemente que el con<strong>de</strong>nsador está totalmente<strong>de</strong>scargado, aunque la <strong>de</strong>scarga continúain<strong>de</strong>finidamente.Tiempo Voltaje Carga0RC 9,0 V 100%1RC 3,3 V 37%2RC 1,2 V 14%3RC 0,4 V 5%4RC 0,2 V 2%5RC 0,1 V 1%3
<strong>Capacidad</strong> y <strong>uso</strong> <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadoresGráfica que muestra la corriente y el voltajedurante la <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsadorconstante <strong>de</strong> tiempo = RCAplicaciones <strong>de</strong> los capacitores o con<strong>de</strong>nsadoresLos con<strong>de</strong>nsadores se usan para varios propósitos:• Timing (temporizadores)– por ejemplo con un a 555 timer IC controlando la carga y la<strong>de</strong>scarga.• Smoothing (filtrado-suavizado) - por ejemplo en una fuente <strong>de</strong> alimentación.• Coupling (acoplamiento) - por ejemplo entre etapas <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong> audio y para conectarun altavoz.• Filtering (fitros) – por ejemplo en el control <strong>de</strong> tonos <strong>de</strong> un sistema <strong>de</strong> audio.• Tuning (sintonía) – por ejemplo en un sistema <strong>de</strong> radio.• Almacenamiento <strong>de</strong> energía - por ejemplo en el circuito <strong>de</strong>l flash <strong>de</strong> una cámara <strong>de</strong> fotos.Clasificación y partes <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsadorBásicamente un con<strong>de</strong>nsador consta <strong>de</strong>dos placas metálicas paralelas, separadaspor un material aislante o dieléctrico.Según la naturaleza <strong>de</strong> este último, lasuperficie <strong>de</strong> las placas y la separaciónentre ambas podrá aumentar o disminuirel valor <strong>de</strong> la capacidad.La capacidad está <strong>de</strong>terminada por:don<strong>de</strong>:ε 0 : constante dieléctrica <strong>de</strong>l vacíoε r : constante dieléctrica o permitividad relativa <strong>de</strong>l materialdieléctrico entre las placasA: el área efectiva <strong>de</strong> las placasd: distancia entre las placas o espesor <strong>de</strong>l dieléctrico4
<strong>Capacidad</strong> y <strong>uso</strong> <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadoresSegún el tipo <strong>de</strong> dieléctrico utilizado se pue<strong>de</strong>n clasificar en:# Con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> aire. Se trata <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores, normalmente <strong>de</strong> placas paralelas, condieléctrico <strong>de</strong> aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad,sólo permite valores <strong>de</strong> capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen <strong>de</strong>pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.# Con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> mica. La mica posee varias propieda<strong>de</strong>s que la hacen a<strong>de</strong>cuada comodieléctrico <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores: bajas pérdidas, división en láminas finas, soporta altas temperaturas yno se <strong>de</strong>grada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara <strong>de</strong> la lámina <strong>de</strong> mica se <strong>de</strong>positaaluminio, que forma una armadura. Se apilan varias <strong>de</strong> estas láminas, soldando los extremosalternativamente a cada uno <strong>de</strong> los terminales. Estos con<strong>de</strong>nsadores funcionan bien en altasfrecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos porotros tipos.# Con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otrotratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas <strong>de</strong> papel, una<strong>de</strong> aluminio, otras dos <strong>de</strong> papel y otra <strong>de</strong> aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas <strong>de</strong> aluminioconstituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales.# Con<strong>de</strong>nsadores electrolíticos. Es un tipo <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsador que utiliza un electrolito, como suprimera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión a<strong>de</strong>cuada, el electrolito <strong>de</strong>posita unacapa aislante (la cual es en general una capa muy fina <strong>de</strong> óxido <strong>de</strong> aluminio) sobre la segundaarmadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacida<strong>de</strong>s muy elevadas. Son ina<strong>de</strong>cuados parafuncionar con corriente alterna. La polarización inversa <strong>de</strong>struye el óxido, produciendo uncortocircuito entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, ar<strong>de</strong> o estalla elcon<strong>de</strong>nsador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolitoempleados:* Con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> aluminio. Es el tipo normal. La cuba es <strong>de</strong> aluminio y el electrolito unadisolución <strong>de</strong> ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas gran<strong>de</strong>s afrecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes <strong>de</strong> alimentación y equipos <strong>de</strong> audio. Muy utilizadoen fuentes <strong>de</strong> alimentación conmutadas.* Con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> tantalio (tántalos). Es otro con<strong>de</strong>nsador electrolítico, pero emplea tantalioen lugar <strong>de</strong> aluminio. Consigue corrientes <strong>de</strong> pérdidas bajas, mucho menores que en loscon<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen.* Con<strong>de</strong>nsadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos con<strong>de</strong>nsadoreselectrolíticos en serie inversa, utilizados en caso <strong>de</strong> que la corriente pueda invertirse. Soninservibles para altas frecuencias.# Con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> poliéster o Mylar. Está formado por láminas <strong>de</strong>lgadas <strong>de</strong> poliéster sobre lasque se <strong>de</strong>posita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por losextremos. Del mismo modo, también se encuentran con<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> policarbonato ypolipropileno, como dieléctrico.# Con<strong>de</strong>nsadores cerámicos. Utiliza cerámicas <strong>de</strong> varios tipos para formar el dieléctrico. Existentipos formados por una sola lámina <strong>de</strong> dieléctrico, pero también los hay formados por láminasapiladas. Dependiendo <strong>de</strong>l tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.5
<strong>Capacidad</strong> y <strong>uso</strong> <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores# Dieléctrico variable. Este tipo <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsador tiene una armadura móvil que gira en torno a uneje, permitiendo que se introduzca más o menos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la otra armadura fija. El perfil <strong>de</strong> laarmadura suele ser tal que la variación <strong>de</strong> capacidad es proporcional al logaritmo <strong>de</strong>l ángulo quegira el eje.Con<strong>de</strong>nsadores electrolíticos <strong>de</strong>tantalioCon<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> poliésterCon<strong>de</strong>nsadores cerámicos, "SMD(montaje superficial)" y <strong>de</strong> "disco".Con<strong>de</strong>nsador variable <strong>de</strong> una viejaradio <strong>de</strong> AMCon<strong>de</strong>nsadores electrolíticos axiales yverticalCon<strong>de</strong>nsador electrolíticoCon<strong>de</strong>nsadores <strong>de</strong> varios tipos6