Descripción de los condensadores, desde el punto de vista de la aplicación

Life plays a lot

COMO FUNCIONA:

Imprimir Artículo

Listado de Artículos disponibles

ARTÍCULO EN CONSTRUCCIÓN . . .

- ..

ARTÍCULO ACTUALIZADO 2010

José Luis Giordano

Abril 22, 2007 (Última revisión: Noviembre 22, 2010)

INTRODUCCIÓN

Casi todos los circuitos electrónicos están basados en la existencia de varios tipos de "condensadores eléctricos" o "capacitores". Sin su invención no se hubiesen podido desarrollar una infinidad de circuitos sintonizados tal como los conocemos, como por ejemplo los sistemas de radio, televisión, teléfonos, equipos de audio, y detectores de metales.

En este artículo se describen los capacitores desde el punto de vista de las aplicaciones. Pero también por otro lado, se enfatizan aspectos conceptuales, en relación a la inducción electrostática, el efecto del dieléctrico, conservación de la carga eléctrica y la energía potencial en los procesos de carga y descarga. Específicamente, se trata el problema de la energía perdida entre dos condensadores. Finalmente se comenta algo sobre la invención del capacitor y sobre el trabajo de Franklin.

1-QUÉ ES

Un capacitor o condensador eléctrico es un componente:

1) eléctrico (trabaja con corrientes y voltajes),

2) pasivo (no proporciona ganancia ni excitación),

3) que acumula carga eléctrica, y

4) que puede ser simétrico (compuesto por un dieléctrico entre 2 electrodos iguales), o polarizado (con un electrolito entre dos electrodos diferentes: "+" y "-").

Nota sobre el nombre "capacitor": Por analogía de la electricidad con los fluídos, al acumular carga se hablaba de "condensar carga eléctrica". Entonces, al elemento acumulador se lo llamó "condensador" (desde que Volta lo llamó así en 1782). Pero en este artículo se prefiere usar "capacitor" o "condensador eléctrico", tal como sucedió en la lengua inglesa, donde "capacitor" reemplazó a "condenser" (reservando solo "condensador" para los dispositivos que condensan vapor o gas). Análogamente, en este contexto se usa "capacitancia" o "capacidad eléctrica" (en vez de decir solamente "capacidad", que se reserva para volumen).

Fig. 1: Muestra de capacitores fijos, de los que se usan en circuitos impresos.

Algunas de las características que distinguen a un capacitor son:

1) Tener capacitancia fija o variable

2) Ser electrolítico o no. Tener o no tener polaridad (ser simétrico)

3) El material del dieléctrico

4) Capacidad eléctrica nominal C (generalmente en pF, nF, μF o en mF)

5) Tolerancia de la capacitancia (en %)

6) Voltaje máximo de operación ΔVmax (en V ó kV)

7) Temperatura máxima o Rango de temperatura de operación (en °C)

8) Tipo de encapsulado y terminales para montaje (axial o no, superficial o no)

Su capacitancia (capacidad de acumular carga eléctrica) C, que en el S. I. de Unidades se mide en "F", "farad" o "faradio", es la relación entre la carga acumulada Q (que se mide en "C", "coulomb" o "coulombio") y la diferencia de potencial o voltaje ΔV entre sus 2 terminales (en "V", "volt" o "voltio") que existe cuando está cargado:

C = Q/ΔV ("farad ≡ coulomb/volt")

Como el farad y el coulomb representan cantidades muy grandes de capacitancia y de carga eléctrica respectivamente, es más común encontrar F y C con los prefijos p ("pico", 10-12), n ("nano", 10-9), μ ("micro", 10-6) y m ("mili", 10-3).

El valor C de la capacitancia es una constante del capacitor (un número real positivo) que depende de parámetros geométricos (forma y tamaño del capacitor) y físicos (del material del dieléctrico).

Cuando un capacitor de capacidad eléctrica C tiene una diferencia de potencial ΔV, el capacitor está cargado con una carga Q = C ΔV. La carga máxima que puede acumular está determinada por otro parámetro importante del capacitor: el voltaje máximo ΔVmax que es inferior y cercano al "voltaje de ruptura" (VBR, Breakdown Voltage) que pueda tener sin destruirse. Este voltaje también depende de parámetros geométricos del capacitor y físicos del material dieléctrico.

Un criterio de diseño arbitrario pero típico es usar hasta aproximadamente un voltaje que sea el máximo nominal dividido por raiz de 2. Por ej. un capacitor cuyo voltaje máximo nominal sea 25 V, con este criterio debería estar sometido a voltajes que no superen el 71% de 25 V (es decir, hasta unos 18 V). Este criterio se basa en la relación entre el valor eficaz (rms) y el valor de la amplitud en una onda senoidal.

El parámetro del material directamente relacionado con el VBR, es el campo eléctrico de ruptura dieléctrica, denominado "resistencia dieléctrica" o "ruptura dieléctrica" (EBR, Dielectric Strength) que se mide en kV/mm (ó 106 V/m).

Para el aire seco en condiciones normales (de temperatura y presión), la ruptura se produce a 3 kV/mm aproximadamente (Esto debe ser bien conocido por las personas que se dispongan a trabajar con alta tensión).

La tolerancia porcentual sobre la capacitancia nominal (que se indica generalmente con letras), determina el rango de valores entre los que está (con cierta probabilidad) la capacitancia (verdadera) de un capacitor comercial. La tolerancia está asociada a la calidad en su fabricación. La codificación de tolerancia más común es:

"M" ±20%

"K" ±10%

"J" ±5%

"G" ±2%

"F" ±1%

"D" ±0.5%

"C" ±0.25%

"B" ±0.1%

"A" ±0.05%

"Z" ±0.025%

Por ejemplo si un capacitor con una capacitancia nominal de "1000 μF" tiene una tolerancia "M" (20%), su capacidad eléctrica debería estar entre 800 y 1200 μF.

2-PARA QUÉ SIRVE

Un capacitor es un elemento muy simple, pero según cómo y dónde se utilice, sirve para diferentes e importantes funciones, como por ejemplo:

2.1 Acumuladores de energía:

Un capacitor cargado, puede proporcionar carga eléctrica para realizar un cierto trabajo. Por lo tanto, todo capacitor cargado tiene una energía potencial eléctrica U acumulada (que se mide en "J", "joule" o "julio"). Puede demostrarse que, para un sistema de dos conductores como el de un capacitor, es

U = (1/2) Q ΔV ("joule ≡ coulomb volt")

Usando C = Q/ΔV, también se tiene

U = (1/2) Q2/ C = (1/2) C (ΔV)2

Como ejemplo de aplicación de los capacitores usados como acumuladores de energía se tienen los magnetizadores y desmagnetizadores de imanes de parlantes, sistemas de campo magnético pulsado, fuentes de plasma pulsado, circuitos de disparo del flash de cámaras fotográficas y algunos chisperos (encendedores de gas) electrónicos. En general, para esta aplicación los capacitores deben ser aptos para alto voltaje (entre 0.2 y 1 kV típicamente) y capaces de producir la descargas rápidamente (entre unos 0.001 y 1 ms).

2.2 Filtros de rizado:

Esta función se encuentra en las fuentes de alimentación (de corriente y/o de voltaje), donde los capacitores se utilizan para eliminar ("filtrar") el rizado o riple remanente de la conversión de corriente alterna (AC) en continua (DC) realizada por el circuito rectificador.

Hasta aproximadamente los años 1980’s, los diseñadores electrónicos calculaban el transformador óptimo para una dada aplicación, mediante el uso de las "Curvas de Schade" ( Schade O H 1943 Analysis of Rectifier Operation Proc. IRE 31(7) 341-361 ). En el cálculo del transformador, también estimaban la capacitancia y el voltaje máximo del capacitor. En la actualidad, se utilizan transformadores y capacitores de valores típicos, mientras que el filtrado final se realiza con un circuito integrado regulador de voltaje de 3 terminales, que puede ser fijo como el "7805", ó ajustable como el "LM317".

2.3 Filtros de audiofrecuencia (AF):

Cuando se trabaja con señales de corriente alterna (AC), es muy útil utilizar el método de fasores donde un condensador se puede considerar como una impedancia compleja pura que, para una capacitancia C y frecuencia angular ω, se puede escribir en el Campo Complejo de las formas siguientes:

ZC = (0, XC) = 0 + j XC = ZC e jφC = (ωC)-1 e -jπ/2

siendo j la unidad imaginaria (j2 = -1) y donde el ángulo de fase φC = -π/2 es el argumento de la impedancia compleja de una capacitancia pura, que representa un adelanto de 90° de la corriente respecto del voltaje sobre el capacitor.

Es muy importante dejar claro (algo que está mal explicado en muchos libros de Física) que: la reactancia capacitiva XC es un número real, pero no es positivo, sino negativo:

XC = -(ωC)-1

Lo que sí es positivo, es el módulo de la impedancia compleja

...