Capacidad y uso de condensadores

Capacidad y uso de condensadoresCapacitancia o CapacidadCapacitancia (simbolo C) es una medida de la habilidad de uncapacitor o condensador para almacenar carga eléctrica. Una grancapacidad significa que más carga puede ser almacenada. Lacapacidad es medida en faradios o Faraday, su símbolo es F. Sinembargo 1F es una unidad muy grande, son usados prefijos(multiplicadores) para mostrar los valores más pequeños:Símbolo capacitor nopolarizado* m (mili) quiere decir 10 -3 , así 1000 mF = 1 F* µ (micro) quiere decir 10 -6 , así 1000 µF = 1 mF* n (nano) quiere decir 10 -9 , así 1000nF = 1 µF* p (pico) quiere decir 10 -12 , así 1000pF = 1 nFSímbolo capacitor polarizadoCarga y Energía almacenadaLa cantidad de carga (símbolo Q) almacenada por un capacitor está dada por:Carga, Q =C×Vdonde:Q = carga in coulombs (C)C = capacidad in faradios (F)V = voltaje en voltios (V)Cuando almacenan carga, los condensadores están también almacenando energía:Energía, E = ½QV = ½CV² donde E = energía en joules (J).Nota que los condensadores devuelven al circuito su energía almacenada. Ellos no usan la energíaeléctrica para convertirla en calor como lo hace una resistencia. La energía almacenada por uncondensador es mucho más pequeña que la almacenada por una batería así que no pueden serusados como una fuente práctica de energía para la mayoría de los propósitos.Reactancia Capacitiva XcLa reactancia capacitiva (símbolo Xc) es una medida de la oposición que presenta el condensador 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 depende de la frecuencia (f) de la señal eléctricaque pasa a través del condensador así como del valor de la capacidad, C.reactancia capacitiva, Xc = 12 fCdonde: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 loscondensadores dejan pasar la AC pero bloquean la DC.Por ejemplo un condensador de 1µF tiene para una señal de 50Hz una reactancia de 3,2 kΩ, perocuando la frecuencia es más alta como a 10 kHz su reactancia es de solo 16 Ω.1

Capacidad y uso de condensadoresCapacitores en serie y paraleloLa capacidad combinada (C) de condensadores conectadosen serie es:1/C = 1/C1 +1/ C2+ 1/C3 + ...La capacidad combinada (C) de condensadores conectadosen paralelo es:C = C1 + C2 + C3 + ...Dos o más condensadores raramente están conectados enserie en circuitos reales, pero puede ser muy útil conectarlosen paralelo para obtener una capacidad muy grande, porejemplo para filtrar una fuente de alimentación.Nota que estas ecuaciones son la manera opuesta paracalcular resistencias en serie y paralelo.Carga del condensadorEl condensador (C) en el circuito está siendo cargadodesde una fuente de alimentación (Vs) con el paso de lacorriente a través de una resistencia (R). El voltaje através del condensador (Vc) es inicialmente cero peroéste se incrementa a medida que se carga el condensador.El condensador está totalmente cargado cuando Vc = Vs.La corriente de carga (I) está determinada por el voltajea través de la resistencia (Vs - Vc):corriente de 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 dela resistencia y por lo tanto reduce la corriente de carga.Esto significa que la velocidad de carga se haceprogresivamente más lenta.Constante de tiempo = R × Cdonde: la constante de 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 de tiempo es, RC = 47 kΩ × 22 µF = 1,0 s.Si R = 33 kΩ y C = 1 µF, entonces la constante de tiempo es, RC = 33 kΩ × 1 µF = 33 ms.Una gran constante de tiempo significa que el condensador se carga lentamente. Nota que laconstante de tiempo es una propiedad del circuito que contiene la capacidad y la resistencia,no es propiedad solamente del condensador.Durante la carga transcurrida la primer constante de tiempo 1RC se sabe que el voltaje delcondensador alcanza el 63 % del voltaje final, es decir del de la batería o fuente de alimentación.2

Capacidad y uso de condensadoresLa gráfica siguiente muestra cómo el voltaje (V) seincrementa mientras se carga el condensador. Alprincipio el voltaje cambia rápidamente porque lacorriente es grande; pero como vaya decreciendo lacorriente, la carga crece más lentamente y así lohace también el voltaje.Después de transcurridas 5 constantes de tiempo(5RC) el condensador está casi totalmente cargadocon su voltaje prácticamente igual al de la fuente dealimentación. Desde un punto de vista prácticopodemos decir bastante razonablemente que elcondensador está totalmente cargado después de5RC, aunque realmente se sigue cargandoindefinidamente (o mientras el circuito estáconectado).Gráfica que muestra la corriente y elvoltaje durante la carga de uncondensadorconstante de 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 del condensadorEl gráfico muestra cómo la corriente (I) decrece a medida que se descarga el condensador. Lacorriente inicial (Io) está determinada por el valor inicial del voltaje sobre el condensador (Vo) y elvalor de la resistencia(R):corriente inicial , Io = Vo / R.Nota que el gráfico de la corriente tiene la misma forma tanto para la carga como para ladescarga del condensador. Este tipo de gráfico es un ejemplo de una caída exponencial.La gráfica muestra como el voltaje (V) disminuye amedida que el condensador se descarga. Al principio lacorriente es grande porque el voltaje es grande, la cargase pierde rápidamente y así lo hace también el voltaje.Como se vaya perdiendo carga el voltaje se veráreducido haciendo la corriente más pequeña así lavelocidad de descarga se hace progresivamente máslenta.Después de 5 constantes de tiempo (5RC) el voltaje através del condensador es casi cero y podemos decirrazonablemente que el condensador está totalmentedescargado, aunque la descarga continúaindefinidamente.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

Capacidad y uso de condensadoresGráfica que muestra la corriente y el voltajedurante la descarga de un condensadorconstante de tiempo = RCAplicaciones de los capacitores o condensadoresLos condensadores se usan para varios propósitos:• Timing (temporizadores)– por ejemplo con un a 555 timer IC controlando la carga y ladescarga.• Smoothing (filtrado-suavizado) - por ejemplo en una fuente de alimentación.• Coupling (acoplamiento) - por ejemplo entre etapas de sistemas de audio y para conectarun altavoz.• Filtering (fitros) – por ejemplo en el control de tonos de un sistema de audio.• Tuning (sintonía) – por ejemplo en un sistema de radio.• Almacenamiento de energía - por ejemplo en el circuito del flash de una cámara de fotos.Clasificación y partes del condensadorBásicamente un condensador consta dedos placas metálicas paralelas, separadaspor un material aislante o dieléctrico.Según la naturaleza de este último, lasuperficie de las placas y la separaciónentre ambas podrá aumentar o disminuirel valor de la capacidad.La capacidad está determinada por:donde:ε 0 : constante dieléctrica del vacíoε r : constante dieléctrica o permitividad relativa del materialdieléctrico entre las placasA: el área efectiva de las placasd: distancia entre las placas o espesor del dieléctrico4

Capacidad y uso de condensadoresSegún el tipo de dieléctrico utilizado se pueden clasificar en:# Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, condieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad,sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen depérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.# Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada comodieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, división en láminas finas, soporta altas temperaturas yno se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se depositaaluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremosalternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altasfrecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos porotros tipos.# Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otrotratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, unade aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminioconstituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales.# Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como suprimera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita unacapa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segundaarmadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados parafuncionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo uncortocircuito entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla elcondensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolitoempleados:* Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito unadisolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes afrecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizadoen fuentes de alimentación conmutadas.* Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalioen lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en loscondensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen.* Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadoreselectrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Soninservibles para altas frecuencias.# Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre lasque se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por losextremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato ypolipropileno, como dieléctrico.# Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existentipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminasapiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.5

Capacidad y uso de condensadores# Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a uneje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra armadura fija. El perfil de laarmadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo quegira el eje.Condensadores electrolíticos detantalioCondensadores de poliésterCondensadores cerámicos, "SMD(montaje superficial)" y de "disco".Condensador variable de una viejaradio de AMCondensadores electrolíticos axiales yverticalCondensador electrolíticoCondensadores de varios tipos6