Fundamentos de los condensadores, funcionamiento y diferentes tipos de condensadores con sus aplicaciones en los circuitos

Condensadores – la palabra parece sugerir la idea de capacidad, que según el diccionario significa ‘la capacidad de mantener algo’. Eso es exactamente lo que hace un condensador: mantener la carga eléctrica. ¿Pero qué hace que sea un componente común en casi todos los circuitos electrónicos? Desglosemos lo que hay detrás de los condensadores para entender lo que hace y cómo uno podría utilizarlos en este artículo.

¿Qué es un condensador?

Un condensador en su forma más primitiva consiste en dos placas conductoras separadas por un medio dieléctrico. El término dieléctrico no es más que una palabra elegante para referirse a un aislante que puede polarizarse, es decir, formar cargas negativas y positivas en caras opuestas. Cuando se aplica un voltaje a través de estas dos placas, la corriente fluye a través de las placas conductoras. Una cara se carga positivamente (falta de electrones) y la otra se carga negativamente (exceso de electrones). Todos estamos familiarizados con el hecho de que las cargas diferentes se atraen, así que como las placas están cargadas de forma opuesta, las cargas de las placas se atraen.

Recuerda que hay un aislante entre las placas, por lo que las cargas no pueden «fluir» para igualarse y están (idealmente) atrapadas en un estado de atracción mutua y se mantienen. Y así es como los condensadores llevan a cabo su función más básica: la retención o almacenamiento de la carga.

Símbolo de los condensadores

Dado que los condensadores tienen dos placas metálicas paralelas como se ha comentado anteriormente, su símbolo representa más o menos lo mismo. Al menos es fácil de dibujar

En un caso práctico, los condensadores ya no son sólo dos placas con un espacio entre ellas, en el caso de los electrolíticos de aluminio las dos placas toman la forma de una lámina metálica enrollada con un espaciador entre ellas en un tubo.

El segundo conjunto de símbolos representa los condensadores polarizados, es decir, los que tienen terminales positivos y negativos definidos por diseño interno. Si se invierten accidentalmente estos terminales, es casi seguro que se producirá un fallo espectacular (especialmente en el caso de los ejemplares más grandes), expulsando trozos de lámina y medidores de papel desde el lugar del fallo y, la mayoría de las veces, oliendo muy mal.

Capacitancia y tensión nominal de un condensador

Los condensadores se miden en faradios; recibe su nombre del famoso electroquímico británico Michael Faraday. Es la unidad de capacitancia, que sustituye al culombio por voltio. El culombio es la unidad de carga del S.I., y el voltio, como sabemos, es la unidad de tensión o diferencia de potencial. Esto hace que el Farad sea la cantidad de carga almacenada por cada voltio de diferencia de potencial. Esta sencilla forma de ver matemáticamente un condensador se presta a una amplia gama de interpretaciones, que se manifiestan en un montón de ecuaciones matemáticas mortalmente complejas, como integrales y exponentes y vectores, que los ingenieros utilizaremos cuando trabajemos con condensadores, algo que va más allá del alcance de este artículo. Sin embargo, vamos a entrar en un poco de matemáticas interesantes que nos ayudarán a diseñar circuitos con condensadores más adelante en el artículo

Por supuesto, el Farad (un culombio por voltio) es una unidad muy grande para la mayoría de los propósitos prácticos (ya que el culombio en sí es una cantidad bastante grande de carga, como usted ya sabe), por lo que la mayoría de los condensadores (a excepción de los muy grandes) se miden en microfaradios, o una millonésima parte (0,000001) de un Farad. Supongamos que tiene un condensador que indica 25V 10uF (el prefijo ‘u’ significa micro, es una corrupción del símbolo griego µ (‘mu’) que significa ‘micro’) en la cubierta exterior de plástico. Dado que el tapón (abreviatura de condensadores en el mundo de la electrónica) tiene una capacidad de 10uF, puede contener una carga de diez microculombios (es decir, diez millonésimas de culombio, 0,000010 C) por cada voltio de tensión en sus terminales. Esto significa que, a la tensión máxima de 25V, el condensador puede mantener una carga de 25V x 10uF, lo que equivale a 0,000250 culombios.

Recuerde que he dicho tensión «máxima». El voltaje máximo es probablemente la clasificación más importante en el condensador. Te dice cuánto voltaje puede manejar un condensador a través de sus terminales antes de que vaya KABOOM………!

Funcionamiento de un condensador

Básicamente lo que está sucediendo dentro de un condensador es que el aislante entre esas placas está experimentando un proceso llamado ‘ruptura dieléctrica’, lo que significa que el aislante ya no puede aislar ya que el voltaje a través del aislante es demasiado alto para que pueda seguir siendo un aislante. La física subyacente está algo fuera de alcance, pero todo lo que hay que saber para entender por qué ocurre esto es que ningún aislante es perfecto, es decir, hasta cierto punto. Incluso el puente más resistente se derrumba si se sobrecarga. Lo que ocurre aquí es similar. Para reducir el colapso, podría aumentar la distancia entre las dos placas, pero eso tiene una contrapartida: la reducción de la capacitancia, ya que las placas están más separadas y las cargas no se atraen tanto como cuando están más cerca, de forma muy parecida a como se comportan los imanes.

Una buena regla general sería utilizar tapones con una tensión nominal un 50% superior a la que se espera que vea su circuito. Esto deja un amplio margen de seguridad. Por ejemplo, si necesita una tapa para desacoplar (no se preocupe, el desacoplamiento se explica más adelante en el artículo) un carril de la fuente de alimentación de 12V, podría salirse con la suya utilizando un condensador de 16V, pero se recomienda utilizar un condensador de 25V ya que le da un amplio margen de seguridad. Bien, ¡lo has encontrado! Sí, 25V no es, por supuesto, un 25% mayor que 12V, pero 18V no es un valor de condensador estándar – no encontrarás ninguno con ese valor de voltaje. El más cercano es 25V.

Diferentes tipos de condensadores

La razón de los rangos de tensión de ruptura es debido al material utilizado como dieléctrico, que es también la base sobre la que se clasifican los condensadores:

Condensadores electrolíticos de aluminio

Estos son probablemente los tipos más reconocibles de condensadores. Se presentan en latas metálicas con una cubierta de plástico, con valores nominales de tensión y capacitancia claramente indicados y una banda blanca para indicar el cátodo. El nombre proviene del hecho de que, como se ha mencionado anteriormente, las «placas» están hechas de papel de aluminio grabado químicamente. El proceso de grabado hace que el aluminio sea poroso (como una esponja) y aumenta su superficie en gran medida, lo que aumenta la capacidad. El dieléctrico es una fina capa de óxido de aluminio. Estos condensadores están llenos de aceite que actúa como un electrolito, de ahí su nombre. Los condensadores electrolíticos están polarizados debido a su construcción interna. Tienen una gran capacidad en comparación con otros miembros de la familia de condensadores, pero voltajes mucho más bajos. Puede ver electrolíticos de entre 0,1uF a monstruos como 100mF y con tensiones nominales de unos pocos voltios a unos 500V. Sus resistencias internas, sin embargo, tienden a ser altas.

NOTA ADICIONAL: La resistencia interna en los condensadores se debe a los materiales de los que está hecho el tapón – por ejemplo la resistencia del papel de aluminio o la resistencia de los cables.

Condensadores cerámicos

Son tapones con un dieléctrico cerámico. Dado que el límite de ruptura del dieléctrico cerámico es bastante alto, puede esperar ver tapones cerámicos con voltajes de ruptura locos como 10kV. Sin embargo, la capacitancia tiende a ser baja, en el rango de picofaradios (0.000000000001F) a unas decenas de microfaradios. En general, son mucho más pequeños que otros tipos de condensadores, como se muestra en la imagen. También tienen resistencias internas muy pequeñas.

Identificación de los condensadores cerámicos

El valor de una capacitancia cerámica no se mencionará directamente en el condensador cerámico. Siempre habrá un número de tres dígitos seguido de una variable; aprendamos a identificar el valor utilizando estos números. Considera el siguiente condensador.

Como puedes notar, estos tres dígitos están divididos en dos cifras y la tercera es el multiplicador. En este caso 68 es el dígito y 3 es el multiplicador. Así que 68 debe ser multiplicado por 10^3. En pocas palabras es 68 seguido de 3 ceros. Por lo tanto el valor de este condensador será 68000 pF. Fíjate que la unidad debe ser siempre pF. Del mismo modo, un condensador con el código 220 significa que es 22 Pico farad, ya que 10^0 es 0.

La tensión nominal del condensador se puede encontrar utilizando la línea bajo este código. Si hay una línea entonces el valor del voltaje es 50/100V si no hay línea entonces es 500V.

Los valores de condensadores más comúnmente utilizados junto con su conversión en Pico Farad, Nano Farad y microfarad se da a continuación.

Condensadores de película

Como el nombre sugiere, el dieléctrico en estos condensadores es una película de plástico, a menudo plásticos familiares como mylar y poliéster. Tienen las mismas propiedades que los condensadores cerámicos, altas tensiones de ruptura (por el comportamiento de los polímeros plásticos) y bajas capacitancias. La única diferencia es que suelen ser ligeramente más grandes, aunque superficialmente se parecen a los tapones cerámicos. La resistencia interna es comparable a la de los tapones cerámicos.

Condensadores de tantalio y niobio

Estos tapones pertenecen técnicamente a la categoría de condensadores electrolíticos. Aquí, el electrolito es un material sólido hecho de óxidos de tantalio o niobio. Tienen una resistencia interna muy baja para una capacitancia dada, sin embargo, son menos inmunes a la sobretensión en comparación con otros tipos (los de cerámica son los mejores) y tienden a estropearse sin mucho aviso y con una gran cantidad de humo negro desagradable.

Condensadores para fines especiales

Estos incluyen los condensadores de plata y mica, los condensadores con clasificación X e Y, etc. Los condensadores con clasificación X e Y, por ejemplo, se construyen para el filtrado de la línea: una construcción más robusta y una tensión nominal más alta, así como capacitancias bajas, para reducir la corriente que pasa a través de ellos si se aplica una tensión de CA y para limitar la energía almacenada en el tapón si se aplica una tensión de CC.

Supercondensadores y ultracondensadores

Llevan a los condensadores a un nivel completamente nuevo, con capacitancias muy superiores, a veces del orden de cientos de faradios. Esto es posible gracias a una química inteligente. Los supercondensadores y los ultracondensadores son un puente entre los condensadores y las baterías químicas. Sin embargo, vienen en voltajes muy bajos.

Y esos son prácticamente todos los tipos comunes de condensadores que se pueden encontrar en el mundo de la electrónica.

Cómo se comportan los condensadores en los circuitos

Una primera tarea útil sería aprender a calcular la energía almacenada en un condensador, que viene dada por la fórmula,

E = 1/2CV2

Donde E es la energía almacenada en julios, C es la capacitancia en faradios y V es la tensión en voltios. Tenga en cuenta que esta ecuación toma la forma de muchas otras ecuaciones de Newton para la energía, un huevo de Pascua aseado!

Suponiendo que usted tiene una tapa nominal para una tensión de 50V y con una capacitancia de 1000uF, la energía almacenada en el pleno 50V sería:

1/2 * 0.001000F * 50V * 50V

Lo que equivale a unos míseros 1,25J de energía almacenada.

Esto revela una importante desventaja de los condensadores como dispositivos de almacenamiento de energía: la energía almacenada para un tamaño determinado es muy baja, ¡una batería del mismo tamaño tendría al menos mil veces más energía almacenada! Sin embargo, los condensadores tienen resistencias internas mucho más bajas que las baterías químicas, lo que les permite descargar toda la energía almacenada rápidamente. Un cortocircuito en una batería sólo provocaría su calentamiento debido a la energía disipada por la resistencia interna, pero un cortocircuito en un condensador sólo crearía algunas chispas, ya que toda la carga se vierte de una vez sin dañar el condensador.

En segundo lugar, hay otra fórmula que relaciona el voltaje, la corriente y la capacitancia:

I/C = dV/dt

Donde I es la corriente suministrada al condensador en amperios, C es la capacitancia en Faradios y dV/dt es la tasa de cambio de voltaje en los terminales del condensador. Piensa en esto en términos de su unidad: voltios por segundo para una corriente y capacitancia dadas. No te preocupes por la pequeña «d», es sólo una forma matemática de decir «hasta el límite cero».

Supongamos que tienes una fuente de alimentación que escupe un voltaje constante de 5V a una corriente constante de 1mA, entonces al reordenar la ecuación podemos encontrar el tiempo necesario para cargar un condensador de 100uF a 5V:

dt = CdV/I

dt = (0.000100F * 5V)/0,001A

dt = 0,5 segundos

Así que el condensador se cargaría hasta 5V en 0,5 segundos. (Recuerda que un condensador sólo puede cargar hasta la tensión máxima que se le suministra, nunca más, no pueden «crear» tensión por arte de magia.)

Este comportamiento predecible de un condensador lo hace muy útil para generar retardos, por ejemplo, con un poco de circuitería adicional. Usted puede reorganizar la ecuación para obtener el tiempo.

Ahora lo bueno – ¡circuitos reales de condensadores!

Comportamiento de los condensadores en los circuitos

Comencemos de forma sencilla – las diferentes formas en que los condensadores pueden ser conectados juntos. Es casi lo mismo que conectar dos resistencias – puedes conectarlos en serie o en paralelo.

Condensadores en paralelo

La figura de abajo muestra tres condensadores conectados en paralelo, con todos los respectivos terminales positivos y negativos conectados juntos (asumiendo que los condensadores están polarizados). La capacitancia total de esta disposición es simplemente la suma de todas las capacitancias de todos los condensadores del circuito. Esto tiene sentido, ya que la conexión de las placas del condensador en paralelo aumenta la superficie, aumentando la capacitancia.

El voltaje máximo que este tipo de disposición puede manejar es el voltaje del condensador más pequeño, ya que en el voltaje es común a todas las tapas.

Un ejemplo debería aclarar esto. Supongamos que usted tiene dos condensadores, uno con las calificaciones 25V 470uF y el otro 35V 1000uF. La capacitancia total sería de 470uf + 1000uF = 1470uF. Sin embargo, el voltaje máximo que podrías poner a través de este banco (un montón de condensadores conectados juntos puede llamarse «banco» de condensadores) sería sólo de 25V. Si pones algo más alto a través de este banco, saltarían chispas, ya que excedes el voltaje máximo del condensador de 25V.

Condensadores en serie

Conectar condensadores en paralelo es particularmente útil cuando quieres una gran capacitancia y sólo tienes valores pequeños. Juntando esos condensadores de menor valor en paralelo conseguirás finalmente el valor mayor y harás el trabajo, suponiendo que tengas en cuenta la tensión.

Ahora poner condensadores en serie es un poco más complicado. La capacitancia está dada por la fórmula:

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

Donde C1, C2…Cn son las capacitancias de cada condensador utilizado en el circuito.

La tensión que el banco puede manejar ahora es la suma de todas las tensiones nominales.

Si te dan un condensador de 10V 1uF y otro de 50V 10uF, entonces la tensión que puede soportar la batería en serie es de 10V + 50V = 60V. La capacitancia es de 0,9091uF.

Tensión del condensador frente al tiempo

¿Y si queremos cargar un condensador? Podríamos simplemente conectarlo a través de una fuente de tensión, como en la figura siguiente. Lo que ocurriría aquí es que en el momento en que se conecta la fuente de tensión, suponiendo que el condensador está completamente descargado, las cargas se apresuran a acumularse en las placas, dando lugar a un pico de corriente muy grande (¡en teoría, infinito!) limitado sólo por la resistencia interna del condensador. Esto no es deseable, por supuesto, si tu fuente de alimentación resulta ser algo como una batería. Una idea sensata sería añadir una resistencia en serie con el condensador y la fuente de tensión para limitar la corriente como en la figura, y ¡voilá! Tienes algo que los ingenieros llaman un circuito RC, «R» de resistencia y «C» de condensador!

Este circuito muestra un comportamiento interesante. Cuando el voltaje se conecta al lado de la resistencia marcado como ‘I’, el voltaje en el condensador aumenta lentamente ya que la corriente está limitada. La gráfica se parece a esto:

Los espectadores más inclinados a las matemáticas reconocerán la forma de la pendiente – ¡se parece a la de la función exponencial!

¿Recuerdas que dije que los condensadores podían usarse para generar retrasos de tiempo? Esta es una forma de hacerlo sin una fuente de corriente constante (que necesita algunos circuitos adicionales). Dado que el tiempo que se tarda en alcanzar un determinado voltaje es predecible si conocemos la capacitancia, el voltaje y la resistencia, podemos crear circuitos de retardo de tiempo.

El producto de la resistencia y la capacitancia, RC, se conoce como la constante de tiempo del circuito. Este parámetro llega a ser útil para determinar realmente el tiempo para alcanzar un determinado voltaje con precisión, como se muestra en la figura gráfica de abajo.

De la gráfica se puede ver que el condensador alcanza el 63% de la tensión aplicada en una constante de tiempo, y así sucesivamente.

Este es el principio que utiliza el temporizador 555 para todas las estaciones, aunque las ecuaciones de diseño son un poco diferentes.

Otra aplicación interesante de los circuitos RC es el filtrado de señales, es decir, eliminar una señal eléctrica de una frecuencia no deseada de un circuito. El circuito RC tarda un tiempo determinado en cargarse y descargarse de una fuente. Si aplicamos una onda periódica con un periodo de tiempo mayor que el RC, entonces la misma señal aparecería en la salida con muy poca distorsión. Sin embargo, al aumentar la frecuencia, la señal sigue cambiando de polaridad más rápido de lo que el circuito puede cargar y descargar, y finalmente, después de un cierto punto, la señal desaparece, y todo lo que queda es CC limpia. Esto se llama atenuación de la señal. Como puede ver, un circuito RC actúa como un filtro que bloquea las señales de CA (incluso las superpuestas a la CC, es decir, que tienen un desplazamiento de CC) más allá de una determinada frecuencia. Este tipo de filtro se llama filtro de paso bajo, es decir, deja pasar las frecuencias bajas pero no deja pasar las altas.

Condensadores en circuitos de Ac

Los condensadores se comportan de forma interesante cuando se colocan en circuitos de AC. Pueden considerarse como resistencias dependientes de la frecuencia, desde el punto de vista de la señal. Como se ha visto anteriormente, el circuito RC bloquea toda la CA de una señal, pero ¿qué ocurre cuando se conecta un condensador en serie con una fuente de tensión de CA? Exactamente lo contrario:

Dado que el condensador es sólo dos placas metálicas separadas por un aislante, no deja pasar ninguna corriente continua. Sin embargo, una señal de CA tiene voltajes que cambian constantemente, por lo que una placa ve un voltaje cambiante e induce la carga opuesta en la otra placa, como se muestra en la figura:

Esto tiene el efecto general de dejar que la corriente «pase» a través del condensador a frecuencias relativamente altas. La adición de una resistencia en paralelo con la salida crea un filtro de paso alto, es decir, un filtro que sólo deja pasar las altas frecuencias y bloquea todas las señales de CC.

La «resistencia de CA», o impedancia, de un condensador, viene dada por la fórmula:

XC = 1/(2*π*f*C)

Donde XC es la reactancia o impedancia capacitiva, f es la frecuencia y C es la capacitancia. Puedes utilizar esta fórmula para calcular la «resistencia» virtual que tiene un condensador en un circuito de corriente alterna.

Donde se encuentran los condensadores en la naturaleza

Bueno, eso fue suficiente teoría. Veamos los muchos usos de los condensadores.

El primer lugar en el que se puede esperar ver condensadores es en las fuentes de alimentación de todo tipo como filtros y para el desacoplamiento. Actúan como depósitos de carga, proporcionando corriente rápida cuando la carga la necesita.

Aquí hay dos tomas de osciloscopio que muestran el efecto de no tener y tener un condensador a través de los cables de una fuente de alimentación. Como puede ver, tener condensadores reduce drásticamente el «ruido» en los raíles de la fuente de alimentación, protegiendo así las piezas delicadas de los picos de tensión repentinos.

También se denominan condensadores de «desacoplamiento», ya que «desacoplan» las secciones del circuito a través de las cuales se montan de la fuente de alimentación. A veces, los cables de alimentación de una placa de circuito pueden ser bastante largos y tener una alta inductancia y resistencia. Esto puede hacer que proporcionen menos corriente de lo habitual. Tener un condensador al final de la línea de alimentación es como tener una «batería» temporal más pequeña a través del dispositivo, proporcionando ráfagas de corriente cuando sea necesario y cargándose cuando el dispositivo consuma poca energía.

Puede utilizar la fórmula I/C = dV/dt para calcular la capacitancia necesaria para eliminar la tensión de «ondulación» de los terminales de la fuente de alimentación.

Suponga que tiene una fuente de alimentación cuya tensión varía de 11,5V a 12V (ondulación) cada 10ms, lo que es común en los dispositivos alimentados por la red eléctrica debido a la frecuencia de 50Hz, y necesita colocar un tapón a través de los terminales para suavizar la tensión. Si la corriente de carga en este caso es de 1A, entonces podemos reordenar la fórmula de esta manera para encontrar la capacitancia:

(I * dt)/dV

Donde I es la corriente de carga, dt es el periodo de tiempo del ruido, y dV es la tensión de rizado. Sustituyendo los valores, encontramos que necesitamos una capacitancia de 20000uF. Ahora bien, esto puede parecer mucho, pero se podría conseguir con mucho menos. El valor obtenido sólo sirve como orientación.

En la vida real puede encontrar múltiples tipos y valores de condensadores a través de las trazas de potencia, esto es para reducir el contenido de ruido a través de muchas frecuencias y tener la tensión más suave posible.

Otro uso de los condensadores es en filtros complicados como este:

Pero un filtro más sencillo sería el filtro RC, un filtro interesante se describe aquí.

Todo el mundo conoce la placa microcontroladora Arduino. Una herramienta versátil, pero ¿nunca te has preguntado por qué las salidas analógicas escupen una señal digital PWM? Eso es porque fueron diseñados para ser utilizados con una red de filtrado externo para suavizar el voltaje PWM a un voltaje verdaderamente analógico. Esto se puede hacer con partes tan simples como una resistencia de 1K y un condensador de 10uF. Pruébalo!

Otro uso, como el mencionado anteriormente, es la sincronización. Un simple oscilador puede ser construido usando una puerta NAND (trata de averiguar por qué las puertas AND no funcionan), una resistencia y un condensador.

Suponiendo que inicialmente no hay tensión a través del condensador, las entradas NAND (que están atadas juntas) ven cerca de 0V a través de ellas, y encienden la salida. La tapa ahora se carga a través de la resistencia. Cuando alcanza el umbral «alto» de la puerta, la salida se vuelve baja y la tapa se descarga. Este ciclo continúa produciendo una salida de onda cuadrada con una frecuencia que depende de los valores de R y C.

Por último, otro uso interesante de los condensadores es el almacenamiento de energía. Por supuesto, los condensadores no son rivales para las baterías, pero para algunas aplicaciones que necesitan la energía rápidamente, los tapones son los mejores para el trabajo.

Dispositivos como las coilguns (se puede encontrar más en la web) necesitan un gran pulso de corriente para acelerar el proyectil, por lo que los condensadores de alto voltaje se utilizan para fines como este, a menudo con valores como 450V 1500uF, que pueden almacenar cantidades significativas de energía.