Condensador eléctrico

El condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.

Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, separadas por un material dieléctrico o por el vacío.

Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente, al ser introducido en un circuito, se comporta en la práctica como un elemento “capaz” de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.

Funcionamiento

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las «placas». Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:

C = Q 1 V 1 − V 2 = Q 2 V 2 − V 1

en donde:

C : Capacitancia o capacidad.

Q1: Carga eléctrica almacenada en la placa 1.

V1 − V2: Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.

Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que

Aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.

En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrólisis.

Tipos de asociaciones de los condensadores

Podemos asociar los condensadores de diferentes formas, como puede ser en serie, paralelo o mixto.

A continuación exponemos las distintas asociaciones que podemos hacer:

Asociación en serie:

Dos o más condensadores se dice que están en serie cuando cada uno de ellos se sitúa a continuación del anterior a lo largo del hilo conductor de un circuito. De esta manera se obtiene una capacidad total equivalente para el conjunto de capacitores que se puede calcular mediante expresiones simples. También es posible conocer las caídas de potencial y la carga almacenada en cada capacitor.

En estos casos, la capacidad equivalente resultante para la asociación en podemos calcularla con la siguiente formula:

{1 \over C_{AB}}={1 \over C_{1}}+{1 \over C_{2}}+...+{1 \over C_{n}}={\sum _{k=1}^{n}{1 \over C_{k}}}

Tensión en los capacitores en serie:

La suma de las caídas de tensión de cada capacitor da como resultado la tensión total aplicada entre los bornes A y B.

La carga de cada uno de los capacitores de una rama en serie es igual a la de los demás y es igual a la carga equivalente acumulada en toda la rama (entre A y B).

A su vez, cada carga puede ser calculada como q = C·V de cada capacitor, con lo que:

Y la carga total (q_t), que es igual a la carga sobre cualquier capacitor, se puede calcular sobre el capacitor equivalente como:

Asociación en paralelo

Dos o más condensadores se dice que están en paralelo cuando los extremos de cada uno están unidos. De esta manera se obtiene una capacidad total equivalente para el conjunto de capacitores que se puede calcular mediante expresiones simples. También es posible conocer las caídas de potencial y la carga almacenada en cada capacitor.

En estos casos, la capacidad equivalente resultante para la asociación podemos calcularla con la siguiente fórmula:

C_{AB}=C_{1}+C_{2}+...+C_{n}=\sum _{k=1}^{n}C_{k}

Es decir, el sumatorio de todas las capacidades de los condensadores conectados en paralelo.

Es fácil demostrar estas dos expresiones; para la primera solo hay que tener en cuenta que la carga almacenada en las placas es la misma en ambos condensadores (se tiene que inducir la misma cantidad de carga entre las placas y, por tanto, cambia la diferencia de potencial para mantener la capacitancia de cada uno), y, por otro lado, en la asociación en “paralelo”, se tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas tiene que ser la misma (debido al modo en el que están conectados), así que cambiará la cantidad de carga.

Como esta se encuentra en el numerador ( ), la suma de capacidades será simplemente la suma algebraica.

También vale recordar que el cálculo de la capacidad equivalente en paralelo es similar al cálculo de la resistencia de dos dispositivos en serie, y la capacidad o capacitancia en serie se calcula de forma similar a la resistencia en paralelo.

Tensión de capacitores en paralelo

Al estar todos los capacitores unidos por un mismo conductor, se encuentran todos a un mismo potencial (tensión) y, por lo tanto, la tensión de cada uno es igual a la de los otros e igual a la total.

La carga de los capacitores en paralelo total es igual a la suma de las cargas almacenadas en cada capacitor.

Y cada carga puede calcularse como q = C·V de cada capacitor, pero en este caso V es la misma para todos, con lo que:

De esta manera, al ser V la misma, puede verse que las cargas que almacena cada capacitor para una determinada tensión aplicada no son iguales si las capacidades son distintas.

Carga y descarga

Al conectar un condensador en serie con una resistencia a una fuente de tensión eléctrica (o, comúnmente, fuente de alimentación), la corriente empieza a circular por ambos. El condensador va acumulando carga entre sus placas.

Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en serie, las cargas empiezan a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga o energía almacenada en el condensador es nula.

En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando.

Carga

$V(t)=V_{f}(1-e^{-{\frac {t}{RC}}})$

$I(t)={\frac {V_{f}}{R}}(e^{-{\frac {t}{RC}}})$

Descarga

$V(t)=V_{i}\,e^{-{\frac {t}{RC}}}$

$I(t)=-{\frac {V_{i}}{R}}(e^{-{\frac {t}{RC}}})$

Donde:

V(t) es la tensión en el condensador.

V_i es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador.

V_f es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen estacionario t ≥ 4RC) entre las placas del condensador.

I(t), la intensidad de corriente que circula por el circuito.

RC es la capacidad del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en ohmios, llamada constante de tiempo.

Tipos de Condensadores

Lista de condensadores fijos más comunes que puedes encontrar:

Condensadores de mica: La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.

Condensadores de poliestireno, también conocidos comúnmente como Styroflex (marca registrada de Siemens). Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso al de las bobinas de sintonía, logrando de este modo estabilidad en los circuitos resonantes.

Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias.

Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno.

Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito, una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas.

Condensadores autorregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autorregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras.

Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, baquelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar.

Condensadores electrolíticos: Tienen valores de capacitancia bastante elevados y suelen estar polarizados.

Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.

Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad, solo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.

Lista de condensadores variables más comunes que puedes encontrar:

Secciones múltiples: se fijan las múltiples secciones del estator/rotor una detrás de otra sobre el mismo eje, lo que permite que varios circuitos de sintonización se puedan regular usando el mismo control, por ejemplo un preselector, un filtro de entrada y el correspondiente oscilador de un circuito receptor. Las secciones pueden tener la misma u otra capacidad nominal, por ejemplo, 2 x 330 pF para un filtro de AM y un oscilador, y 3 x 45 pF para dos filtros y un oscilador en la sección FM del mismo receptor. Los condensadores con múltiples secciones incluyen a menudo condensadores de ajuste de aire en paralelo a las secciones variables, usadas para regular todos los circuitos de sintonización a la misma frecuencia.
Mariposa: este condensador de mariposa es un tipo de condensador variable con dos conjuntos independientes de placas de estator enfrentadas y un rotor en forma de mariposa, colocado de forma que, al girar el rotor, varíen por igual las capacidades entre el rotor y el estator. Los condensadores de mariposa se usan en circuitos de sintonización simétricos, por ejemplo, fases de amplificadores RF de potencia en configuración empujar-tirar o sintonizadores de antena simétricos donde el rotor necesite ser “enfriado”, como al conectarlo a un RF (pero no necesariamente DC) potencial de tierra.
Mientras que el pico de corriente RF fluye normalmente de un estator al otro sin pasar por los contactos absorbentes, los condensadores en mariposa pueden soportar corrientes RF de gran resonancia, por ejemplo, antenas de cuadro de campo magnético.
En un condensador de mariposa, los estátores y cada mitad del rotor pueden cubrir solamente un ángulo máximo de 90°, ya que debe de haber una posición sin solapamiento entre rotor y estator correspondiente a la capacidad mínima, por lo que un giro de solo 90° cubre el rango entero de capacidades.
Estátor fraccionado: está estrechamente relacionado y no tiene la limitación del ángulo de 90°, ya que usa dos paquetes separados de electrodos de rotor dispuestos axialmente, uno detrás de otro. En cambio, en un condensador con varias secciones, las placas del rotor de un condensador de estator fraccionado se montan en caras opuestas del eje del rotor. Un condensador de estator fraccionado se beneficia de electrodos más grandes comparado con un condensador de mariposa, así como también de un ángulo de rotación de hasta 180°, mientras que la separación de las placas del rotor provoca algunas pérdidas, ya que la corriente RF tiene que atravesar el eje del rotor en lugar de circular directamente a través de cada aspa del rotor.
Diferencial: también tiene dos estátores independientes, pero a diferencia del condensador de mariposa, donde las capacidades en ambas caras se incrementan por igual mientras el rotor gira, en un condensador de diferencial variable, la capacidad de uno de los sectores se incrementará mientras la otra disminuirá, manteniendo constante la capacidad estator a estator. Por tanto, los condensadores de diferencial variable pueden usarse en circuitos de capacidad potenciométrica.

La capacidad del condensador variable puede expresarse por la siguiente ecuación:

$C=\epsilon _{0}\epsilon _{r}{\frac {A}{d}}$

donde:

$\epsilon _{0}$ es la permitividad del vacío ≈ 8,854187817… × 10⁻¹² F·m⁻¹;

$\epsilon _{r}$ es la constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctrico entre las placas;

A es el área efectiva de las placas.

y d es la distancia entre las placas o espesor del dieléctrico.

Para tener condensador variable, hay que hacer que por lo menos una de las tres últimas expresiones cambie de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil; por lo tanto, varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.

Otro tipo de condensador variable se presenta en los diodos Varicap.

Como identificar el valor del condensador

Vamos a disponer de un código de colores, cuya lectura varía según el tipo de condensador, y un código de marcas, particularizado en los mismos. Primero determinaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro de estos.

Las principales características que nos vamos a encontrar en los capacitores van a ser la capacidad nominal, tolerancia, tensión y coeficiente de temperatura, aunque dependiendo de cada tipo traerán unas características u otras.

Tipo placa, Grupo 1 y 2

Tipo Disco, Grupo 1

Tipo Disco, Grupo 2

Como comprobar un condensador

Si quieres saber cómo probar un condensador, entonces consigue o crea un circuito sencillo con una pila donde puedas instalarlo.

Al medir con el multímetro, podrás notar que solo puede circular corriente al conectar y desconectar la pila. ¡Eso significa que sí funciona!

A estas alturas se puede mencionar que debes tener bastante cuidado al manejar condensadores de gran envergadura. Asegúrate de descargarlos antes de su manipulación. Ya conoces qué es un condensador, pero aún queda mucho más por descubrir.

Condensador eléctrico

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