El condensador es un componente esencial en muchos circuitos electrónicos, funcionando como depósito
temporal de energia. La capacidad de un condensador para almacenar carga se mide en farad, una unidad
que cuantifica cuánta carga eléctrica se puede almacenar con una diferencia de potencial de un voltio. Además de
almacenar energía, los condensadores tienen la capacidad de filtrar y suavizar las variaciones de voltaje en las fuentes de energía.
Además, actuan como elementos importantes en circuitos de filtrado y en sistemas de audio para separar
componentes de frecuencia. También se utilizan en circuitos de temporización, donde la constante de tiempo
del circuito determina la velocidad a la que el circuito responde a los cambios de voltaje.
Básicamente, está constituido por dos placas metálicas paralelas entre sí.
Una de las placas asume carga positiva y la otra, carga negativa. Normalmente, quien proporciona
estas cargas al condensador es una fuente de voltaje o de corriente. Esta distribución de
cargas genera un campo eléctrico uniforme entre las placas, orientado de la placa con carga
positiva para la placa con carga negativa. Y es debido a este campo eléctrico
generado por la acumulación de cargas entre sus placas que el condensador tiene la propiedad
de almacenar energía entre sus terminales. La unidad de medida de la capacitancia es
farad o coulomb / volt. En la práctica esta unidad es muy grande. Por eso usamos sus
submúltiples, como el microfarad , nanofarad o picofarad.
Figura 03-01
En la Figura 03-01 podemos ver, esquemáticamente, cómo es un condensador. La capacitancia de un
condensador depende, básicamente, de su geometría como distancia entre
las tarjetas (D en la figura ) y el área (A) de las tarjetas.
También existe una constante de proporcionalidad,
llamada permisividad eléctrica del medio. Esta constante depende del material que se coloca
entre las placas. En el vacío su valor es 8,85 x 10-12 F/m o C2/N.
La capacitancia de un condensador con una determinada geometría y dieléctrico
entre sus placas se puede calcular a través de la ecuación eq. 03-01:
eq. 03-01
Donde las variables son:
C - Capacitancia cuya unidad de medida es farad
εr- Permissividad relativa del dieléctrico y es adimensional
εo- Permissividad del vacío cuya unidad de medida es farad/metro
D - Distancia entre las placas, cuya unidad de medida es metro
A - Área cuya unidad de medida es m2
Así, para cada material usado como dieléctrico tenemos una constante con valores numéricos
diferentes, lo que implicará valores de capacitancia diferentes. Se resalta que para
el vacío la permisividad eléctrica vale εo = 8,85 x 10-12 F/m.
A razón entre la permisividad del dieléctrico utilizado entre las placas del condensador
y la del vacío se llama
de permisividad relativa, εr.
Algunos libros representan la permisividad relativa por la letra K. En la Tabla 03-01
presentamos algunos materiales utilizados en la fabricación de condensadores y sus respectivas
permisividad.
Tabela 03-01
Material Dieléctrico
Perm. Relativa (εr o K)
Vacío
1,00000
Aire
1,00059
Água a 20°C
80,40
Agua a 25°C
78,50
Etanol
25
Germanio
16
Silicio
12
Aluminio
8,10 a 9,50
Esteatita (MgO - SiO2)
5,50 a 7,20
Mica
5,400 a 8,700
Aceite
4,6000
Papel
4,00 a 6,00
Papel Parafinado
2,50
Plástico
3,00
Poliestireno
2,50
Porcelana
6,00
Pirex
5,10
Titanatos
50 a 10.000
En la práctica, existen diversos tipos de condensadores que dependen de qué material es
utilizado como dieléctrico. Así, tenemos los condensadores de tántalo, papel, mica, cerámica, poliéster, aceite,
electrolítico, ajustable, etc ... cada uno con sus características propias.
El valor de la capacitancia puede estar escrito en el cuerpo del
condensador o en forma de código de color. Se debe tener en cuenta el hecho de que cada condensador
tiene una tensión de trabajo máxima, que no debe ser superada bajo riesgo del mismo
ser averiado.
La rigidez dieléctrica es una propiedad fundamental de los materiales aislantes, medida en voltios por metro (V/m).
Indica la capacidad de un material dieléctrico para resistir campos eléctricos sin ionización y consecuente
pérdida de sus propiedades aislantes. Cuando el voltaje aplicado a un dieléctrico excede su rigidez dieléctrica, se produce voltaje.
ruptura eléctrica, lo que lleva al fenómeno conocido como breakdown, que resulta en la formación de un camino conductor a través
del material y, muchas veces, en la destrucción de su estructura molecular. El voltaje de ruptura es, por lo tanto, el límite de voltaje que el dieléctrico
puede soportar antes de fallar, y excederlo implica la incapacidad del material para seguir funcionando como un aislante eficaz.
Existen varios tipos de condensadores, que varían según el tipo de dieléctrico utilizado en su construcción.
Existe un enorme abanico de posibilidades en cuanto al dieléctrico. Qué dieléctrico utilizar depende de algunos factores como:
El valor deseado de capacitancia;
Voltaje de funcionamiento;
Tamaño del condensador;
La sensibilidad de la capacitancia del capacitor varía según la temperatura.
Analicemos algunos tipos de condensadores que hay en el mercado.
Condensadores de mica
Figura 03-02
Como sugiere el nombre, el dieléctrico es mica. Estos condensadores se utilizan en circuitos de precisión y,
principalmente en circuitos de alta frecuencia. En general, la capacitancia de estos condensadores varía desde unos pocos
pF hasta unos pocos miles de pF. La tensión de funcionamiento puede variar desde unas pocas decenas de voltios hasta unos 18 kV.
Como se puede ver en la Figura 03-02, el valor de capacitancia está impreso en el costado del capacitor. Su valor es 4.700 pF
o 4,7 nF y este valor tiene una tolerancia de
± 5%.
Condensadores Cerámicos
Figura 03-03
En este caso el dieléctrico utilizado es cerámico que tiene un excelente voltaje de trabajo, alcanzando valores como 10 kV.
Su capacitancia varía de 10 pF a 0,05 uF. La Figura 03-03 muestra algunos condensadores cerámicos con diferentes tamaños.
Su uso depende del tipo de montaje, ya sea circuito impreso (los dos condensadores laterales), SMD (los condensadores centrales), etc ...
Condensadores de Película, Lámina y Poliéster
Polipropileno, Teflón
Figura 03-04
En este caso, el nombre del condensador está asociado al tipo de dieléctrico utilizado en su construcción. En general, el proceso de fabricación.
se realiza apilando o enrollando, y puede adoptar forma redondeada o plana. Su tensión de aislamiento puede alcanzar los 2,5 kV.
La capacitancia varía entre 100 pF y 50 uF.
Condensadores Electrolíticos
Los tipos de condensadores estudiados anteriormente son los tipos que no tienen polaridad, es decir, se puede conectar cualquier terminal
en cualquier polaridad de la fuente de voltaje. Los siguientes dos tipos de condensadores que veremos son del tipo polarizados, es decir,
cada terminal del condensador debe conectarse con la polaridad correcta; de lo contrario, el condensador se dañará. Por eso estos tipos
de los condensadores vienen con la polaridad impresa en su carcasa. Consulte la Figura 03-05, la polaridad impresa en el cuerpo del
condensador, así como su capacitancia y voltaje máximo de trabajo.
Figura 03-05
En este tipo de condensador, el ánodo o placa positiva está hecho de un metal que forma una capa de óxido aislante
mediante anodización. Esta capa actúa como dieléctrico del condensador. Un electrolito sólido, líquido o en gel cubre el
superficie de esta capa de óxido, que sirve como cátodo o placa negativa del condensador.
Debido a su capa muy fina de óxido dieléctrico y a su mayor superficie anódica, los condensadores electrolíticos tienen una
voltaje de capacitancia mucho mayor por unidad de volumen en comparación con los capacitores cerámicos o los capacitores de película y, por lo tanto,
puede tener valores de capacitancia grandes.
El condensador electrolítico está compuesto internamente por dos láminas de aluminio separadas por una capa de óxido de aluminio, enrolladas
y empapado en un electrolito líquido (compuesto predominantemente de ácido bórico o borato de sodio). Al estar compuesto por hojas enrolladas,
tiene forma cilíndrica. Sus dimensiones varían según la capacitancia y tensión máxima de trabajo.
Condensadores de Tantalio
Los condensadores de tantalio son otro tipo de condensador electrolítico. El material utilizado para los electrodos es tantalio.
Figura 03-06
Este tipo de condensador tiene un rendimiento superior al condensador electrolítico de aluminio en términos de temperatura y frecuencia de funcionamiento.
Su costo es mayor que los de aluminio. Los condensadores de tantalio tienen numerosas aplicaciones debido a su estabilidad a largo plazo, alta capacidad,
confiabilidad y bajas corrientes de fuga. Debido a estas características son ampliamente utilizados en las industrias de telecomunicaciones,
aeroespacial y militar.
El ánodo está hecho de una pastilla de metal de tantalio porosa cubierta por una capa de óxido aislante que forma el dieléctrico,
rodeado por electrolito líquido o sólido como cátodo. Los condensadores también pueden incluir plata, carbono o polímero.
En este tema mostramos los principales tipos de condensadores utilizados en equipos electrónicos en nuestro mundo moderno.
Existen otros tipos de condensadores que se pueden encontrar en literatura más específica.
Consideraciones Adicionales
Actualmente ha aparecido en el mercado un tipo especial de condensador denominado Supercondensador, también conocido como Ultracondensador
o Hipercondensador. Este tipo de condensador supone un importante avance en la tecnología de almacenamiento
de energía. Desde principios de los años 2000, destacan por su capacidad de alcanzar cientos o incluso miles de faradios,
una gran evolución respecto a los condensadores tradicionales. Aunque inicialmente limitado por un bajo voltaje de aislamiento
de aproximadamente 2,7 V, investigaciones recientes han logrado avances notables. Por ejemplo, técnicas de ingeniería de vacantes de oxígeno.
han mejorado significativamente el rendimiento electroquímico de los óxidos metálicos utilizados como electrodos, lo que resulta en un aumento
sustancial en conductividad y capacitancia. Además, el desarrollo de nuevos materiales y procesos está impulsando
la aplicación de supercondensadores en diversas áreas, desde energías renovables hasta conservación del medio ambiente, contribuyendo a
sistemas de transporte más limpios y reducir las emisiones de carbono. Con estos avances, los supercondensadores son
cada vez más cerca de superar las limitaciones actuales y convertirse en componentes cruciales para el almacenamiento eficiente de energía en el futuro,
incluida la posibilidad de sustituir las baterías, ya que sabemos que las baterías, además de tener una vida útil muy corta, provocan
graves problemas medioambientales en su eliminación.
El supercondensador puede aceptar y entregar carga mucho más rápido que las
baterías y soportan muchos más ciclos de carga y descarga. A diferencia de los condensadores ordinarios, los supercondensadores
no utilice un dieléctrico sólido convencional, sino capacitancia y pseudocapacitancia electrostática de doble capa
electroquímica, y ambos contribuyen a la capacidad total de almacenamiento de energía del dispositivo. Estas características
hacen que los supercondensadores sean ideales para aplicaciones que requieren muchos ciclos rápidos de carga y descarga, como en vehículos
automóviles, autobuses, trenes, grúas y ascensores, donde se utilizan para frenado regenerativo y
almacenamiento de energía a corto plazo o entrega de energía súper rápida. Además, las unidades más pequeñas se utilizan como respaldo.
Alimentación para memoria estática de acceso aleatorio (SRAM). Con el avance de las tecnologías y la creciente necesidad de
soluciones de almacenamiento de energía eficientes y rápidas, los supercondensadores se están convirtiendo en una parte esencial
de nuevas tecnologías, ofreciendo una alternativa prometedora para el almacenamiento de energía eléctrica.
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Así como en los resistores, tenemos tres tipos de asociaciones de condensadores que podemos encontrar
en circuitos eléctricos. La asociación serie,
paralelo e mixta.
Para estudiar las asociaciones de condensadores, no debemos olvidar la relación existente entre
carga, tensión y valor de la capacitancia. La relación entre estas variables es dada por eq. 03-02:
Lo que caracteriza una asociación Serie es la carga en cada uno del
condensador que deberá ser el mismo en cualquier condensador que forme parte de la asociación serie.
Por lo tanto, la tensión sobre cada condensador dependerá solamente del valor de su capacitancia.
Figura 03-02
En la Figura 03-02, vemos una asociación serie alimentada por una fuente de tensión V.
La suma de las caídas de tensiones en los condensadores deberá ser igual a la tensión V de la fuente,
(V = V 1 + V2 + V3). Para calcular la capacitancia equivalente de una asociación serie,
para cualquier número de condensadores, debemos utilizar la ecuación eq. 03-03 dada abajo:
Lo que caracteriza una asociación Paralelo es que todas
los condensadores estarán sometidos a una misma diferencia de potencial. Por lo tanto, la carga en cada
condensador dependerá del valor de su capacidad.
Figura 03-03
En la Figura 03-03 vemos una asociación paralela alimentada por una fuente de tensión V.
Observe que la tensión V, es la misma para todos los condensadores. Entonces, la suma de las cargas de
cada condensador será igual a la carga total suministrada por la fuente de tensión.
En este caso, tenemos
que el valor de la capacidad total de la asociación será dada por la suma de todas las
capacitaciones que forman parte del circuito. Entonces, para calcular la capacitancia total de una asociación paralela,
para cualquier número de condensadores, usamos la ecuación eq. 03-04 dada abajo:
En la asociación Mixta , como el nombre está diciendo,
tendremos un circuito que contiene, tanto asociación en paralelo, como en serie.
Figura 03-04
Para calcular la capacitancia total de una asociación mixta, debemos calcular la capacitancia
equivalente de todos los condensadores que estén asociados en paralelo y posteriormente
calcular la capacitancia en asociaciones serie, hasta conseguir llegar al resultado final.
Con este valor calculado, podemos calcular la carga total suministrada por la fuente de tensión.
Para calcular las cargas parciales de cada condensador del circuito, debemos retroceder
condensador a condensador, no olvidando que los condensadores que están en un circuito serie
tendrán la misma carga, independientemente del valor de su capacitancia. Por lo tanto, el valor de la tensión entre las terminales de
cada condensador, en un circuito serie, dependerá solamente de su capacidad.
Ya que el condensador genera un campo eléctrico entre las placas, entonces es capaz de
almacenar energía. Recuerde que la unidad de medida de energía es joule.
Podemos determinar la energía almacenada en un condensador por
cualquiera de las tres ecuaciones siguientes, donde las variables implicadas son:
W - Energía almacenada en el condensador cuya unidad de medida es joule
C - Capacidad cuya unidad de medida es farad
q - Carga eléctrica del condensador cuya unidad de medida es coulomb
V - Tensión eléctrica en los terminales del condensador cuya unidad de medida es voltios
eq. 03-05
eq. 03-06
eq. 03-07
Observaciones
1 - Un condensador puede absorber potencia de un circuito almacenando energía en su
campo eléctrico.
2 - En un circuito el condensador puede devolver en forma de potencia la energía
acumulada en su campo eléctrico.
Debemos tener siempre en mente, que un condensador mantiene una relación directa entre
carga, capacitancia y tensión eléctrica la cual está sometido. Vamos a repetir la eq. 03-02.
eq. 03-02
En este ítem estudiaremos cuál es el comportamiento de un condensador en relación a la
corriente continua o DC (direct current). Consideramos que inicialmente
el condensador se encuentra descargado, es decir, sin carga eléctrica y por lo tanto la tensión
eléctrica entre sus terminales es igual a cero. Cuando no es el caso,
explicitaremos la condición inicial.
A continuación se describen dos propiedades fundamentales de un condensador.
Basado en las propiedades arriba el condensador asume características
especiales cuando se somete a variaciones de tensiones en sus terminales. Normalmente,
se utiliza un resistor en serie con el condensador para limitar la corriente de carga
del condensador. Así, cuando el condensador es sometido,
bruscamente, a una variación de tensión eléctrica, se comporta como
un CORTO-CIRCUITO. Esto debido al hecho de que en el momento en que se aplica una tensión
eléctrica a los terminales del condensador, a velocidad que la batería retira electrones de una
de las placas del condensador, es muy grande, disminuyendo con el paso del tiempo. Y después de un largo tiempo,
cuando el condensador está totalmente cargado, no hay más movimiento de electrones y,
por lo tanto, el condensador asume el papel de un CIRCUITO ABIERTO.
Así, podemos ver en la Figura 03-05 un circuito clásico
para estudiar el comportamiento del condensador.
Figura 03-05
En este circuito tenemos una llave S que permite encender y apagar la fuente de tensión
que alimenta el circuito. Al ser cerrada aplica una
tensión eléctrica proveniente de la fuente de tensión V
en el circuito formado por el resistor en serie con el condensador. En la literatura técnica
se representa el instante de cierre de la llave S como el tiempo igual a
t = 0+.
En el momento del cierre de la llave S, en t = 0+, como el condensador está inicialmente descargado
(q = 0 y Vc = 0), su comportamiento será de un cortocircuito.
Por lo tanto, la tensión sobre el condensador, Vc, será igual a cero, y
por lo tanto, toda la tensión de la fuente se aplicará sobre el resistor R. Así, podemos calcular la corriente eléctrica que circula por el circuito, en el instante t = 0+. Para ello, basta aplicar a ley de Ohmios, es decir:
I = V / R
En el instante inmediatamente posterior a t = 0+, el condensador comienza
entonces a ser cargado eléctricamente por la corriente eléctrica I. Cómo ahora el condensador
tiene carga eléctrica, entonces también deberá tener una determinada tensión eléctrica. Esta tensión
eléctrica sobre el condensador crece de forma exponencial. Y, por supuesto, sobre el
resistor, la tensión decrece de forma exponencial. La velocidad con que el condensador
adquiere carga eléctrica, depende de los valores de la capacitancia del condensador y de la
resistencia eléctrica del resistor que se encuentra en serie con el condensador.
Los valores de estos dos componentes determinan la llamada constante de tiempo del
circuito y está representada por la letra griega τ (tau). Entonces podemos escribir que:
τ = R C
Conociendo el constante de tiempo del circuito, podemos escribir la ecuación que
determina la corriente por el condensador en cualquier momento. Vea la siguiente ecuación eq. 03-08.
Como habíamos dicho anteriormente, cuando tenemos t = 0, la corriente por el circuito es máxima e igual a I = V / R, pues sabemos que la función exponencial elevada a
cero (t = 0) es igual a UNO.
eq. 03-08
Figura 03-06
Vemos en la Figura 03-6 el gráfico de cómo el condensador adquiere su carga eléctrica
a lo largo del tiempo. Observe en la figura, que para un tiempo igual a una constante de tiempo,
el condensador adquiere 63,2% de su carga total. Después de dos constante de tiempo,
ya llega a 86,5% de su carga total. En la práctica, consideramos que después de cinco
constante de tiempo, el condensador alcanza su carga eléctrica máxima.
Cuando el condensador alcanza su carga eléctrica máxima, decimos que el circuito alcanzó
el estado de
régimen permanente. Esto significa que si el circuito no sufre ninguna
perturbación eléctrica posterior, el circuito tiende a mantenerse en ese estado
indefinidamente.
Ahora, tenga en cuenta el hecho de que a medida que la tensión en el
el condensador crece,
obviamente la tensión sobre el resistor decrece, hay vista que la fuente de tensión posee
un valor fijo (constante). Entonces, la suma V c + V R
debe ser igual a V. A continuación tenemos la ecuación que determina la tensión
en el condensador en cualquier momento, es decir, eq. 03-09. Observe que cuando tenemos t = 0, la tensión en el condensador es cero, como ya habíamos comentado.
eq. 03-09
Figura 03-07
En la Figura 03-07, tenemos el gráfico de la corriente eléctrica a través del condensador.
Como resistor y condensador forman un circuito serie, entonces esta corriente eléctrica es la
que circula por el resistor. Así, concluimos que la tensión sobre el resistor
tiene el mismo aspecto que la corriente eléctrica en el condensador.
Se percibe que cuando la tensión
eléctrica en el condensador crece (ver figura anterior), simultáneamente, la tensión
eléctrico sobre el resistor decrece.
Observe que este gráfico también representa la caída de tensión sobre el resistor,
bastando sustituir en el eje vertical ic por
VR.
Este fue un breve enfoque sobre el comportamiento de un condensador cuando éste
está en un circuito que utiliza solamente corriente continua. En breve abordaremos
con más profundidad este problema, recurriendo
la solución de ecuaciones diferenciales, así como demostrar de dónde surgieron las ecuaciones arriba.
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