Condensador eléctrico

Un condensador, también conocido como capacitor, es un componente clave en electrónica, utilizado para almacenar energía eléctrica en un campo eléctrico.

Este dispositivo es fundamental en circuitos electrónicos, participando en funciones como filtrado, acoplamiento y almacenamiento de energía. Está compuesto por dos superficies conductoras separadas por un material dieléctrico.

Cuando se aplica una diferencia de potencial, las placas adquieren una carga eléctrica, almacenando energía para cederla luego durante la descarga. Aunque no almacena carga ni corriente, se comporta como un acumulador de energía.

Funcionamiento

El condensador funciona mediante la capacidad de almacenar energía en sus placas conductoras.

Esta capacidad se mide en faradios (F) y está relacionada directamente con la carga que puede almacenar, dependiendo de la diferencia de potencial aplicada entre sus placas.

En términos prácticos, los valores de capacitancia suelen ser mucho menores que 1 faradio, por lo que se usan microfaradios (µF), nanofaradios (nF) y picofaradios (pF).

Los supercondensadores, que utilizan carbón activado como material dieléctrico, pueden almacenar capacidades mucho mayores, con aplicaciones en tecnología como relojes y vehículos eléctricos.

Tipos de asociaciones de los condensadores

Los condensadores pueden asociarse de tres maneras principales: en serie, en paralelo y en configuración mixta.

En serie: La capacitancia total disminuye. La fórmula es 1/C_total = 1/C1 + 1/C2 + … para n condensadores.
En paralelo: La capacitancia total aumenta. La fórmula es C_total = C1 + C2 + … para n condensadores.
Mixto: Combina conexiones en serie y en paralelo. Los condensadores en paralelo se agrupan primero y luego se conectan en serie (o viceversa), ajustando tanto la capacitancia como los voltajes según sea necesario.

A continuación exponemos las distintas asociaciones que podemos hacer:

1. Asociación en serie

Cuando se conectan dos o más condensadores en serie, se colocan uno tras otro en un mismo hilo conductor.

Esto da lugar a una capacitancia total que puede calcularse con fórmulas específicas. Además, se pueden determinar las caídas de potencial y la carga almacenada en cada condensador de manera individual.

Esta configuración es ideal para obtener una capacitancia total inferior a la de cualquier condensador individual en la serie.

En el caso de los condensadores conectados en serie, la capacidad equivalente resultante se calcula utilizando la siguiente fórmula:

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

Donde son las capacidades individuales de los condensadores. Esto da como resultado una capacitancia total más baja que la de cualquiera de los condensadores en la serie.

La 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:

2. Asociación en paralelo

Cuando dos o más condensadores están conectados en paralelo, sus extremos se unen entre sí.

En esta configuración, la capacitancia total equivalente aumenta y se puede calcular sumando las capacidades individuales de los condensadores.

Además, es posible determinar la caída de tensión y la carga almacenada en cada condensador, la cual es proporcional a su capacidad y la tensión aplicada.

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, cuando los condensadores están conectados en paralelo, la capacitancia total equivalente se calcula sumando las capacidades de cada uno de los condensadores.

Esta fórmula refleja cómo la carga almacenada en los condensadores se distribuye de manera uniforme entre ellos, mientras que la diferencia de potencial es la misma en todos.

Así, la capacidad total es simplemente la suma algebraica de las capacidades individuales.

Es importante recordar que este cálculo es similar al de la resistencia en serie, mientras que la conexión en serie de condensadores se asemeja al cálculo de la resistencia en paralelo.

La tensión en los 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 de un condensador

El proceso de carga y descarga de un condensador es fundamental para entender su funcionamiento en circuitos eléctricos.

Este fenómeno se da cuando un condensador interactúa con una fuente de voltaje y una resistencia en un circuito.

Carga del condensador

Cuando conectamos un condensador a una fuente de voltaje (como una batería) a través de una resistencia:

Inicio de la carga: Al cerrar el circuito, la corriente comienza a fluir desde la fuente de energía, y las cargas se acumulan en las placas del condensador.
Acumulación de carga: Una de las placas adquiere cargas positivas, mientras que la otra se carga negativamente. Esto genera una diferencia de potencial (tensión) entre las placas.
Carga completa: Con el tiempo, la corriente disminuye a medida que la tensión en el condensador se aproxima a la tensión de la fuente. Al llegar al equilibrio, el condensador estará completamente cargado, y la corriente cesará.

La tensión en el condensador durante la carga se expresa como:

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

Donde:

Vf: Tensión de la fuente.
t: Tiempo transcurrido desde el inicio de la carga.
R: Resistencia en ohmios (Ω).
C: Capacitancia en faradios (F).
RC: Constante de tiempo que determina la rapidez de carga.

Descarga del condensador

Cuando el condensador previamente cargado se desconecta de la fuente de voltaje y se conecta a una resistencia, inicia el proceso de descarga:
Inicio de la descarga: Las cargas acumuladas en las placas fluyen a través de la resistencia.
Disminución de la tensión: A medida que las cargas se transfieren, la tensión en el condensador disminuye exponencialmente.
Descarga completa: Finalmente, toda la carga almacenada se disipa, y la tensión en el condensador llega a cero.

La tensión en el condensador durante la descarga se expresa como:

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

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.

Constante de tiempo ()

La constante de tiempo “RC” es un parámetro clave que describe la rapidez con la que el condensador se carga o se descarga.

Un “RC” alto implica que el proceso es más lento.
Un “RC” bajo significa que ocurre rápidamente.

Tipos de Condensadores

Tipos de condensadores fijos más comunes:

Condensador de mica: Con excelentes propiedades dieléctricas, resistencia a altas temperaturas y estabilidad frente a la humedad, se utiliza principalmente en aplicaciones de alta frecuencia. Aunque son caros, aún se usan en ciertos sectores.
Condensador de poliestireno (Styroflex): Ideal para aplicaciones de radio debido a su coeficiente de temperatura inverso al de las bobinas de sintonía, garantizando estabilidad en circuitos resonantes.
Condensador bipolar (AC): Formado por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, se utiliza cuando la corriente alterna puede invertirse, aunque no es adecuado para altas frecuencias.
Condensador de poliéster o Mylar: Común en aplicaciones generales, estos condensadores tienen buena fiabilidad y se usan ampliamente en la industria electrónica.
Condensador de aluminio: Utilizado en fuentes de alimentación y equipos de audio, aunque presenta pérdidas a altas frecuencias, es ideal para bajas frecuencias.
Condensador autorregenerable: Estos condensadores de papel se autorreparan tras un cortocircuito gracias a su capacidad de fundir una capa de aluminio y restablecer el aislamiento.
Condensador de papel: Usados en ambientes industriales, tienen un dieléctrico de papel tratado para reducir la higroscopicidad y mejorar el aislamiento.
Condensador electrolítico: Ofrecen altas capacitancias y suelen ser polarizados, ideales para aplicaciones de filtrado en fuentes de alimentación.
Condensador cerámico: Utiliza cerámica como dieléctrico, con aplicaciones en un amplio rango de frecuencias, desde audio hasta microondas.
Condensadores de aire: Emplean aire como dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas debido a la baja polarización y pérdidas.

Estos condensadores son fundamentales en una amplia variedad de circuitos electrónicos, dependiendo de sus características de capacidad, resistencia y aplicación.

Condensadores Variable

Permiten ajustar su capacitancia dentro de un rango determinado.

Se utilizan en aplicaciones como sintonizadores, donde la capacidad debe cambiar con frecuencia.

Por otro lado, los condensadores ajustables (o trimers) se ajustan una sola vez, generalmente durante la reparación o puesta a punto de circuitos, ofreciendo una capacidad constante después del ajuste inicial.

Ambos tipos son esenciales según el tipo de aplicación que requiera control de la capacitancia.

Tipos de condensadores variables más comunes:

Condensadores de secciones múltiples: Utilizan varias secciones de estator/rotor para controlar varios circuitos de sintonización simultáneamente, ideal para receptores de radio, filtros y osciladores.
Condensadores de mariposa: Tienen un rotor en forma de mariposa que ajusta las capacidades de forma simétrica en circuitos de sintonización, siendo ideales para aplicaciones de RF de alta resonancia, como en antenas y amplificadores.
Condensadores de estator fraccionado: Ofrecen un ángulo de rotación mayor (hasta 180°) y electrodos más grandes, utilizados para aplicaciones de RF con mayores capacidades y menor pérdida.
Condensadores diferenciales: Con dos estátores independientes, ajustan las capacidades de manera inversa, ideales para aplicaciones potenciométricas donde se requiere mantener constante la capacidad entre los estátores.

Estos condensadores son esenciales en circuitos donde se requiere un ajuste preciso y dinámico de la capacidad, especialmente en sintonización y circuitos de alta frecuencia.

La capacidad de un condensador variable se puede expresar mediante la fórmula:

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

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.

Cómo identificar el valor del condensador.

Para identificar el valor de un condensador, generalmente se usa un código de colores o un número impreso en el componente.

En el caso de los condensadores cerámicos, el valor se indica mediante un código de tres dígitos que representa los primeros dos números y un multiplicador (en picofaradios, pF).

Por ejemplo, un código de “104” significa 10 seguido de 4 ceros, es decir, 100,000 pF o 100 nF. Los condensadores electrolíticos suelen tener el valor directamente impreso, en microfaradios (µF) y con su tensión de trabajo.

Como comprobar un condensador

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

Para comprobar un condensador, puedes utilizar un multímetro con capacidad para medir capacitancia.

Si el condensador está en un circuito, primero asegúrate de descargarlo antes de medirlo.

Conéctalo al multímetro en la función de capacitancia (F). Un valor cercano al indicado en el componente indica que está en buen estado. Si el valor es significativamente diferente, el condensador podría estar dañado.

También puedes verificarlo visualmente buscando señales de hinchazón, fugas o desgaste, lo cual podría indicar un mal funcionamiento.

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