Si te preguntas cuál es el componente eléctrico que a lo largo del tiempo ha sufrido pocas modificaciones y que no se ha encontrado un sustituto que pueda realizar correctamente sus funciones, creo que la respuesta correcta serían los condensadores.
Los podemos encontrar en equipos eléctricos y electrónicos, desde el más sencillo, hasta el más sofisticado. En cada uno de nuestros hogares u oficinas, podríamos contarlos por decenas.
Sin embargo, pese a su gran utilidad, casi nadie los conoce, tal vez solo de nombre. Hoy te propongo que le echemos un vistazo a los condensadores, no desde un punto de vista matemático, si no desde las bases de su funcionamiento y sus aplicaciones, para así comprender un poco más de la tecnología electrónica, que tanto nos apasiona.
Empecemos.
Indice de contenidos
Condensadores o capacitores
Es muy posible que al menos una vez en nuestra vida hayamos escuchado hablar de capacitores o condensadores. Son palabras muy utilizadas cuando estamos hablando de instalaciones eléctricas o equipos electrónicos en hogares o industrias.
Pero, ¿cuál de esos dos términos debemos utilizar? Tú decides cuál usar, ambos son correctos. El primer nombre usado para designarlo fue condensador, posteriormente se ha generalizado también el nombre de capacitor. Por ser el más antiguo y de uso común, en este artículo utilizaremos la palabra condensador.
El término condensador fue usado por primera vez, por el físico italiano Alessandro Volta en 1782.
Algunas veces a los condensadores también se les denomina filtros. Este término se debe a que una de sus principales funciones es bloquear el paso de la tensión directa y facilitar la circulación de las tensiones alternas.
Un poco de historia sobre condensadores
El antepasado del condensador fue la botella de Kleist, dispositivo de almacenamiento eléctrico, creado por el físico alemán Ewald Georg von Kleist en 1745.
Al año siguiente, el físico neerlandés Pieter van Musschenbroek inventó un condensador similar que fue llamado botella de Leyden, este nombre se dio debido a que el inventor trabajaba en la Universidad de Leiden. La descarga eléctrica recibida por el físico fue de tal magnitud, que no quiso volver a experimentarla. Afortunadamente ahora tenemos instrumentos para hacer las mediciones :) .
Las botellas de Leyden fueron muy populares y se usaron hasta finales del siglo XIX, en el siglo XX se desarrollaron poco a poco todos los tipos de condensadores que hoy conocemos, hasta llegar a los supercondensadores.
¿Qué es un condensador?
Un condensador es un componente eléctrico, utilizado en los circuitos eléctricos y electrónicos, que tiene la capacidad de almacenar energía eléctrica mediante un campo eléctrico.
¿Cómo funciona un condensador?
Está compuesto por superficies metálicas paralelas (generalmente de aluminio) separadas por un material dieléctrico (aislante). Cuando se someten las superficies a una diferencia de potencial, una adquiere carga eléctrica positiva, mientras que la otra adquiere carga eléctrica negativa; es decir almacena energía en forma de campo eléctrico.
El material que separa las placas metálicas del condensador es un aislante, pero además tiene la característica de ser dieléctrico, es decir que permite su polarización con las cargas eléctricas.
Todos los materiales dieléctricos son aislantes, pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.
El dieléctrico puede ser de diversos materiales, tales como el aire, la mica, el papel, el tántalo, el poliéster, la cerámica, entre otros.
En la imagen inferior observamos un condensador electrolítico polarizado, uno de los más utilizados en los equipos electrónicos.
Símbolo del condensador
En la imagen observamos los símbolos de los condensadores más comunes, el no polarizado a la izquierda y el polarizado a la derecha.
Estos son los símbolos que frecuentemente encontrarás en los diagramas esquemáticos en circuitos eléctricos o electrónicos.
La mayor parte de capacitores son de capacidad fija, hay unos pocos de capacidad variable, muy usados antiguamente, pero la mayoría han sido reemplazados por el varicap (varactor) o diodo de capacidad variable, que es un diodo semiconductor que con polarización inversa y ante variaciones de la tensión aplicada, se comporta como un condensador variable.
¿Qué es la capacitancia?
Se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar un condensador.
La unidad de la capacitancia es el faradio, en honor del científico británico Michael Faraday.
El faradio se define como la capacidad de un condensador entre cuyas placas existe una diferencia de potencial eléctrico (tensión) de un voltio (1 V) cuando está cargado de una cantidad de electricidad igual a un culombio (1 C).
Para la mayoría de aplicaciones prácticas en electricidad y electrónica, el faradio es una unidad muy grande y por eso se utilizan algunos prefijos del sistema internacional (SI), tales como mili, micro, nano y pico.
Factores que afectan la capacitancia
La capacidad depende de las características físicas del condensador:
- A mayor área de las placas que están frente a frente la capacidad aumenta
- Si la separación entre placas disminuye, aumenta la capacidad
- Según el tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas
- Si se aumenta la tensión o voltaje aplicado al condensador, se aumenta la carga almacenada
Tipos de condensadores
- Según su polarización
Según la tensión de polarización, tenemos dos tipos de condensadores:
Polarizados:
Son aquellos que podemos utilizar en circuitos de corriente directa y debemos respetar su polaridad, si no lo hacemos puede ser peligroso para el condensador, o el circuito no funcionará correctamente.
En la imagen observamos un condensador electrolítico polarizado.
No polarizados:
Se utilizan en circuitos de corriente alterna y al no tener polarización, podemos colocarlos en cualquier dirección sin peligro para el condensador.
En la imagen superior vemos un condensador cerámico no polarizado.
La clasificación de condensadores polarizados o no polarizados, se refiere al cuidado que debemos tener al colocarlos en los circuitos, pero no significa, por ejemplo, que un condensador polarizado no pueda ser utilizado para acoplar pequeñas señales de corriente alterna, bloqueando el paso de la corriente continua, o que un condensador no polarizado pueda usarse como filtro pasa bajos en una fuente de poder de corriente directa.
- Según su dieléctrico
De aire: es la versión más sencilla del condensador, no se pone nada entre las armaduras y se las deja con una cierta separación, el dieléctrico es el aire.
Electrolítico: este tipo de condensador utiliza líquido iónico como una de sus placas. Estos condensadores tienen más capacidad de almacenamiento y son utilizados en circuitos de alta corriente y baja frecuencia. Pueden ser polarizados o no. (enlace amazon)
De poliéster: este tipo de condensador utiliza poliéster sobre el que se deposita aluminio. Es muy utilizado para trabajos con frecuencias altas. (enlace amazon)
Cerámicos: también llamados “de lenteja” o “de disco”. En este caso el material aislante es la cerámica. Tienen muy poca capacidad de almacenamiento pero son utilizados para frecuencias extremadamente altas. (enlace amazon)
De mica: conocidos por su capacidad constante a lo largo del tiempo, por su precisión de +/- 1% y su estabilidad en un amplio rango de temperatura, voltaje y frecuencia, además de no verse afectados por la humedad del aire. Estos condensadores se utilizan en circuitos donde se desea precisión.
En la imagen observamos un condensador de mica con su forma característica.
De tantalio: son polarizados y tienen una alta estabilidad, posee amplio rango de temperaturas y frecuencias. También es altamente eficiente a los problemas de vibración y tienen un pequeño tamaño, lo que los hace eficientes como condensadores de montaje superficial, SMD (Surface Mounted Devices) para equipos de tamaño reducido. (enlace amazon)
En la imagen puedes ver un condensador de tantalio, generalmente se señala el terminal positivo. Su punto débil es que no soportan sobretensiones así sean pequeñas ya que pueden explotar o cortocircuitarse.
SMD: estos capacitores son dispositivos de montaje superficial, que gracias a su pequeño tamaño son los más populares en la tecnología de las tarjetas electrónicas modernas. (enlace amazon)
En la imagen superior observamos un condensador SMD cerámico no polarizado y en la imagen inferior un condensador SMD electrolítico polarizado de gran capacidad.
Características de los condensadores
- Capacidad
- Tensión de trabajo
- Temperatura
- Tolerancia
- Polaridad
En la imagen superior vemos un condensador que muestra claramente cuatro características importantes:
- Capacidad: 47 µF
- Tensión de trabajo máxima: 50 v
- Temperatura: 85 °C
- Condensador polarizado
Hay que tener en cuenta que los valores mostrados de tensión y temperatura son máximos y lo ideal es que en el funcionamiento normal se trabaje por debajo de esos valores.
¿Para que sirve un condensador?
Podemos decir que los condensadores están en casi todos los circuitos eléctricos y electrónicos. Encontramos condensadores en equipos simples hasta en los más sofisticados.
En las industrias, los condensadores son utilizados para compensar la energía reactiva.
La energía reactiva es energía que, a nivel industrial, es penalizada por la empresa suministradora de energía eléctrica. Es por eso que almacenándola en capacitores se compensa esa carga reactiva.
En los circuitos de electrónica análoga, los condensadores son utilizados permanentemente. Podemos decir que son imprescindibles; por ejemplo, en circuitos de audio y video o en el filtrado de todo tipo de señales.
En las fuentes de poder «sigue siendo el rey» como elemento fundamental para el filtraje de componentes de la corriente alterna o frecuencias armónicas, luego del proceso de rectificación realizado por los diodos.
Como condensadores de desacoplamiento (Bypass) son muy importantes al ser colocados entre el positivo y tierra de la fuente de alimentación de los circuitos integrados ya que filtra «ruidos» de la fuente de alimentación.
Precauciones con los condensadores
Por ser un componente que acumula cargas eléctricas, debemos tener en cuenta los siguientes cuidados.
- No se debe conectar el condensador a un voltaje que supere el voltaje marcado en el condensador porque puede explotar.
- No debes tocar el condensador sin un material aislante, o asegúrate de descargarlos, porque en ocasiones guarda hasta 220 v lo que puede ocasionar peligrosos choques eléctricos.
- Asegúrate de no invertir la polaridad de los condensadores electrolíticos polarizados ya que en caso contrario podrían explotar.
Carga y descarga de un condensador
Por sus características físicas el condensador almacena energía eléctrica, no disipa energía como una resistencia.
Si conectamos un condensador a una fuente de tensión de corriente directa, sus placas se cargarán a una tensión muy aproximada a la tensión de la fuente.
Algo interesante es que luego de que el condensador se carga, el movimiento de electrones cesará. Se puede decir que el condensador permite el flujo de electrones en el circuito externo (no al interior del condensador) mientras este se carga, luego no circularán más electrones.
Si posteriormente retiramos la fuente y realizamos la medición con un multímetro, podemos comprobar que esa tensión se encuentra acumulada en el condensador.
Al unir las dos terminales del condensador con un conductor eléctrico se producirá la descarga del condensador y probablemente una chispa, aunque el condensador quedará cargado con una pequeña tensión eléctrica.
Si conectamos el condensador a una fuente de tensión de corriente alterna, el proceso será parecido, pero la carga en un sentido y luego en el otro, no cesará y seguirá los cambios en la frecuencia de la fuente de tensión.
En circuitos reales, en la mayoría de los casos, la carga y la descarga de los condensadores no se realizan directamente sino limitados por medio de resistencias.
La carga y la descarga de un condensador no se realiza en forma lineal, sino exponencial.
Podemos observar que una carga y una descarga consecutiva de un condensador se parecen un poco a nuestras ya conocidas señales de HIGH y LOW de nuestros Arduinos.
Constante de tiempo (tau)
La constante de tiempo de un circuito (tau) nos indica el tiempo en segundos que un condensador tarda en cargarse o descargarse al 63.2% de su valor total de carga final.
TAU (S) = RESISTENCIA (MΩ) x CAPACIDAD (µF)
Para efectos prácticos, se considera que un condensador está cargado o descargado casi por completo (93%) luego del transcurso de cinco constantes de tiempo (5 tau).
Supongamos una resistencia R de 1MΩ y un condensador C de 10µF:
tau = 1MΩ x 10µF
tau = 10 segundos.
Tendremos una carga o descarga completa en 5 tau o 50 segundos.
Al jugar con los valores de resistencia o capacitancia, se pueden obtener valores de constantes de tiempo extremadamente pequeños o grandes, que son de mucha utilidad.
Codificación y decodificación de condensadores
Tenemos diversas formas de expresar la capacidad en faradios; sin embargo solo dos codificaciones han permanecido a lo largo del tiempo. También se utilizó anteriormente un código de colores para los condensadores, similar al código de colores para las resistencias, pero ya está en desuso comercial..
Código SMD
Este es quizá uno de los más usados. Lo utilizan los condensadores cerámicos, de poliéster de mica y los SMD.
- Generalmente es un código de tres cifras
- Su lectura se realiza en picofaradios
- Las dos primeras cifras son significativas y la tercera es el número de ceros que debemos agregar a las dos primeras cifras.
La imagen superior muestra un condensador en código SMD, con un valor de 151.
Entonces a las dos primeras cifras que son 15, debemos agregarle la cantidad de ceros que diga la tercera cifra, en este caso 1 (un unico cero).
Así podemos saber que el condensador de cerámica mostrado en la figura es de 150 picofaradios (pF).
La imagen inferior muestra un caso especial de dos cifras.
En este caso la lectura es directa en picofaradios, es decir 10 pF.
Algunas veces el código SMD viene acompañado de códigos para la tensión máxima que se puede aplicar y para la tolerancia del condensador. Las más comunes son:
Para la tolerancia:
D +/- 0,5%
F +/- 1%
G +/- 2%
H +/- 3%
J +/- 5%
K +/- 10%
M +/- 20%
Para las tensiones:
1H 50V
2A 100V
2D 200V
2E 250V
2G 400V
2J 630V
Decodifiquemos el condensador de la imagen inferior.
Capacidad: 220 000 pF
Tensión máxima: 100V
Tolerancia: +/- 10%
Otro ejemplo:
Capacidad: 2700 pF
Tensión máxima: 100V
Tolerancia: +/- 5%
Código de punto
En la imagen inferior observamos un condensador cerámico con código de punto.
Su lectura se realiza directamente, pero la realizamos en micro faradios.
En este caso el condensador se es 0.01 µF.
Asociación de condensadores
Al igual que las resistencias, los condensadores se pueden asociar en serie, paralelo o mixto, que es una combinación de las dos primeras.
Asociación de condensadores en serie
Se utiliza para disminuir la capacitancia total del arreglo capacitivo en serie.
El condensador equivalente en serie es igual al inverso de la suma de los inversos de los condensadores en serie.
Asociación de condensadores en paralelo
Se utiliza para aumentar la capacitancia total del arreglo capacitivo en paralelo.
Es decir podemos reemplazar los condensadores C1 y C2 por un solo condensador cuya capacidad sea la suma de las capacidades individuales de C1 y C2.
Como notarás las fórmulas utilizadas para las asociaciones capacitivas en serie y paralelo son opuestas a las asociaciones resistivas en serie y en paralelo.
Ejemplo del uso de los condensadores
Vamos a realizar un circuito electrónico sencillo con un circuito integrado 555 funcionando como oscilador astable, es decir que no tendrá estado estable, el diodo emisor de luz (LED) con el cual vamos a monitorear la salida del circuito cambiará constantemente su salida entre los niveles altos y bajos. Cambiaremos el valor de la capacitancia y veremos cómo los tiempos de encendido y apagado también cambiarán en forma proporcional a la capacidad del condensador.
Diagrama esquemático
Este es el esquemático más sencillo y común que podemos utilizar y posee sus fórmulas matemáticas para conocer el valor del tiempo en estado alto y bajo de la salida del 555.
- Alimentaremos el circuito con una fuente de tensión DC de 12 V.
- Usamos el circuito integrado 555, que sirve para «cuadratizar la onda de carga y descarga del condensador C1 de 1000 µF, que sabemos es exponencial.
- Un condensador C2 de 10 o hasta 100 nF (no indispensable para la prueba del circuito, sirve como condensador de desacople para evitar interferencias).
- Usaremos dos resistencias R1 y R2 de 1000 Ω.
- Para monitorear la salida del pin 3 usaremos un diodo emisor de luz (LED) con su resistencia de protección de 1000 Ω, ya que la fuente de alimentación es de 12 V.
- Una protoboard.
- Alambre para los puentes de conexión necesarios.
Diagrama pictórico
El diodo emisor de luz (LED) que hemos colocado como «piloto» en el pin 3 (salida del circuito integrado 555), parpadea con una frecuencia aproximada de 1 Hz (un pulso por segundo).
Si cambiamos ahora el condensador C, por uno de 470 µF, la frecuencia de salida aumenta a 2 Hz (dos pulsos por segundo).
Sabemos que esto sucede porque hemos disminuido la constante del tiempo (tau del circuito).
Recordemos que el tiempo de carga y descarga del condensador y la frecuencia son inversamente proporcionales, a mayor tau, menor frecuencia y viceversa.
También se puede modificar la constante de tiempo del circuito variando el valor de la resistencia 2 (R2), colocando en su lugar una resistencia variable. Esto es mucho más eficiente que cambiar el condensador y es lo que se hace en la práctica.
Como muestra el oscilograma en la parte inferior, el pulso de salida del 555 es asimétrico, el tiempo de la salida en nivel alto es mayor al tiempo de salida en nivel bajo (se ve más tiempo encendido el LED, que apagado).
Podemos lograr el mismo efecto del oscilador astable con un programa blink con Arduino, corrigiendo la asimetría del pulso y mil efectos más.
Sin embargo, para personas expertas en el rubro es imprescindible el conocimiento profundo de este componente, debido a su uso en multitud de circuitos eléctricos y electrónicos.
Conclusiones acerca de los condensadores
Hemos realizado un viaje rápido por el inmenso mundo de los condensadores, evitando tocar las temidas matemáticas, que aunque indispensables en el mundo de la ingeniería, podemos prescindir un poco de ellas para que todos los mortales podamos tener un primer acercamiento a temas tan interesantes como el de los condensadores y sus aplicaciones.
Espero que hayas aprendido algo nuevo y tengas el deseo de seguir profundizando en el tema.
Agradezco tu atención y te espero en un próximo artículo.
Gracias a Depositphotos y a Tinkercad por la cesión de sus imágenes.
