Condensadores
El condensador o capacitor es uno de los componentes electrónicos más utilizados en el diseño de circuitos electrónicos. Desempeña un papel importante en muchas de las aplicaciones integradas. Está disponible en diferentes tipos. Y se compone de dos placas metálicas separadas por una sustancia no conductora, o dieléctrica.
¿Qué es un condensador o capacitor?
Definición: Un capacitor (originalmente conocido como condensador) se define como un componente electrónico pasivo de dos terminales que posee la capacidad de almacenar energía en forma de carga eléctrica.
Las formas de los condensadores varían ampliamente, pero todos contienen al menos dos conductores eléctricos (placas) separados por una distancia. El espacio entre los conductores puede estar lleno de vacío o de un material aislante conocido como dieléctrico.
La capacidad del condensador para almacenar cargas se conoce como capacitancia.
Los conductores pueden ser películas delgadas de metal, papel de aluminio o discos, etc. El dieléctrico «no conductor» actúa para aumentar la capacidad de carga del condensador. Un dieléctrico puede ser de vidrio, cerámica, película plástica, aire, papel, mica, etc.
Los condensadores o capacitores eléctricos se usan ampliamente como partes de circuitos eléctricos en muchos dispositivos eléctricos comunes. A diferencia de un resistor, un condensador no disipa energía. En cambio, un condensador almacena energía en forma de campo electrostático entre sus placas.
Cuando existe una diferencia de potencial entre los conductores (por ejemplo, Cuando un condensador está conectado a una batería), se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que hace que se acumule carga positiva (+Q) en una placa y carga negativa (-Q) en la otra placa. Si se ha conectado una batería a un condensador durante un tiempo suficiente, no puede fluir corriente a través del condensador. Sin embargo, si se aplica una tensión de aceleración o alterna a través de los cables del condensador, puede fluir una corriente de desplazamiento.
Construcción del condensador eléctrico
Un condensador eléctrico ele está construido con dos placas de metal, separadas por un material aislante llamado dieléctrico. Las placas son conductoras y suelen estar hechas de aluminio, tantalio u otros metales, mientras que el dieléctrico puede estar hecho de cualquier tipo de material aislante como papel, vidrio, cerámica o cualquier cosa que obstruya el paso de la corriente.
La capacitancia de un condensador, medida en faradios, es directamente proporcional al área de superficie de las dos placas, así como a la permitividad ε del dieléctrico, mientras que a menor distancia entre las placas mayor capacitancia. Dicho esto, ahora echemos un vistazo a cómo funciona un condensador.
¿Cómo funciona un condensador eléctrico?
En cierto modo, un condensador es un poco como una batería. Aunque funcionan de forma completamente diferente, tanto los condensadores como las baterías almacenan energía eléctrica. Si has leído Cómo funcionan las baterías, sabrás que una batería tiene dos terminales. Dentro de la batería, las reacciones químicas producen electrones en un terminal y el otro terminal los absorbe al crear un circuito. Un condensador es mucho más sencillo que una batería, ya que no puede producir nuevos electrones, sólo los almacena.
Primero, podemos notar que un metal común tiene la misma cantidad de partículas cargadas positiva y negativamente, lo que significa que es eléctricamente neutro.
Si conectamos una fuente de alimentación o una batería a las placas metálicas del condensador, una corriente intentará fluir, o los electrones de la placa conectada al cable positivo de la batería comenzarán a moverse hacia la placa conectada al cable negativo de la batería. Sin embargo, debido al dieléctrico entre las placas, los electrones no podrán pasar a través del condensador, por lo que comenzarán a acumularse en la placa.
Después de una cierta cantidad de componentes electrónicos acumulados en la placa, la batería tendrá energía insuficiente para empujar cualquier nuevo componente electrónico a entrar en la placa debido a la repulsión de los componentes electrónicos que ya están allí.
En este punto, el condensador está completamente cargado. La primera placa ha desarrollado una carga neta negativa y la segunda placa ha desarrollado una carga neta positiva igual, creando un campo eléctrico con una fuerza de atracción entre ellas que mantiene la carga del condensador.
Principio de funcionamiento dieléctrico del condensador
Echemos un vistazo a cómo el dieléctrico puede aumentar la capacitancia del condensador. Un dieléctrico contiene moléculas que son polares, lo que significa que pueden cambiar su orientación en función de las cargas de las dos placas. Entonces, las moléculas se alinean con el campo eléctrico de tal manera que permiten atraer más electrones a la placa negativa, mientras que repelen más electrones fuera de la placa positiva.
Ahora, una vez que esté completamente cargada, si retiramos la batería, mantendrá la carga eléctrica durante mucho tiempo, actuando como almacenamiento de energía.
Ahora, si acortamos los dos extremos del capacitor a través de una carga, una corriente comenzará a fluir a través de la carga. Los electrones acumulados de la primera placa comenzarán a moverse a la segunda placa, hasta que ambas placas vuelvan a ser eléctricamente neutrales.
Así que ese es el principio de funcionamiento básico de un condensador y ahora echemos un vistazo a algunos ejemplos de aplicación.
¿Para qué sirve un condensador?
Los condensadores eléctricos son dispositivos que almacenan carga eléctrica y tienen una gran variedad de aplicaciones. El uso más común de los condensadores es el almacenamiento de energía. Debido a sus diversas aplicaciones, los condensadores se utilizan en una amplia gama de industrias y se han convertido en una parte vital de la vida diaria. Algunas de las aplicaciones más comunes son:
Condensadores de desacoplamiento (Bypass)
Los condensadores de desacoplamiento o los condensadores de bypass son un ejemplo típico. A menudo se utilizan junto con circuitos integrados y se colocan entre la fuente de alimentación y la tierra del circuito integrado.
Su trabajo es filtrar cualquier ruido en la fuente de alimentación, como las fluctuaciones de voltaje que ocurren cuando la fuente de alimentación baja su voltaje durante un período muy corto de tiempo o cuando una parte de un circuito se conmuta, lo que provoca fluctuaciones en la fuente de alimentación. En el momento en que se produce la caída de tensión, el condensador actuará temporalmente como fuente de alimentación, sin pasar por la fuente de alimentación principal.
Convertidor de CA a CC
Otro ejemplo de aplicación típica son los condensadores utilizados en adaptadores de CC. Para convertir el voltaje de CA en voltaje de CC, generalmente se usa un rectificador de diodo, pero sin la ayuda de condensadores no podrá hacer el trabajo.
La salida del rectificador es una forma de onda. Entonces, mientras la salida del rectificador aumenta, el condensador se carga, y mientras la salida del rectificador disminuye, el condensador se descarga y de esa manera suaviza la salida de la CC.
Filtrado de señales
El filtrado de señales es otro ejemplo de aplicación de condensadores. Debido a su tiempo de respuesta específico, pueden bloquear las señales de baja frecuencia mientras permiten el paso de frecuencias más altas.
Se utiliza en receptores de radio para sintonizar frecuencias no deseadas y en circuitos de cruce dentro de los altavoces, para separar las frecuencias bajas para el woofer y las frecuencias más altas para el tweeter.
Condensadores como almacenamiento de energía
Otro uso bastante obvio de los condensadores es para el almacenamiento y suministro de energía. Aunque pueden almacenar una energía considerablemente menor en comparación con una batería del mismo tamaño, su vida útil es mucho mejor y son capaces de entregar energía mucho más rápido, lo que los hace más adecuados para aplicaciones donde se necesita una gran cantidad de energía.
Condensadores como sensores
Los condensadores se utilizan como sensores para medir una variedad de cosas, incluida la humedad del aire, los niveles de combustible y la tensión mecánica. La capacitancia de un dispositivo depende de su estructura. Los cambios en la estructura se pueden medir como una pérdida o ganancia de capacitancia. Se utilizan dos aspectos de un condensador en aplicaciones de detección: la distancia entre las placas paralelas y el material entre ellas. El primero se utiliza para detectar cambios mecánicos como la aceleración y la presión. Incluso cambios mínimos en el material entre las placas pueden ser suficientes para alterar la capacitancia del dispositivo, un efecto que se aprovecha al detectar la humedad del aire.
Condensadores para procesamiento de señales
Los condensadores han encontrado aplicaciones cada vez más avanzadas en tecnología de la información. Los dispositivos de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) utilizan condensadores para representar información binaria como bits. El dispositivo lee un valor cuando el condensador está cargado y otro cuando está descargado. Los dispositivos de carga acoplada (CCD) utilizan condensadores en forma analógica. Los condensadores también se utilizan junto con inductores para sintonizar circuitos a frecuencias particulares, un efecto que se aprovecha de los receptores de radio, altavoces y ecualizadores analógicos.
¿Cuál es la unidad de medida de los condensadores?
Un condensador ideal se caracteriza por un solo valor constante para su capacitancia. La capacitancia se expresa como la relación entre la carga eléctrica (Q) en cada conductor y la diferencia de potencial (V) entre ellos. La unidad de capacitancia del SI es el faradio (F), que es igual a un culombio por voltio (1C/V). Los valores de capacitancia típicos varían de aproximadamente 1pF (10−12 F) a aproximadamente 1mF (10−3 F).
¿Cómo saber el valor de los condensadores?
Los condensadores son los componentes esenciales de un circuito electrónico sin el cual el circuito no puede completarse. El uso de condensadores incluye suavizar las ondas de CA en la fuente de alimentación, acoplar y desacoplar las señales, etc.
En los circuitos se utilizan diferentes tipos de condensadores como condensador electrolítico, condensador de disco, condensador de tantalio, etc. Los condensadores electrolíticos tienen un valor impreso en su cuerpo para que sus pines puedan identificarse fácilmente. Por lo general, el pin grande es positivo. La banda negra presente cerca del terminal negativo indica la polaridad. Pero en los condensadores de disco, solo se imprime un número en su cuerpo, por lo que es muy difícil determinar su valor en PF, KPF, uF, n etc.
Para algunos condensadores, el valor se imprime en términos de uF, mientras que en otros un código EIA es usado 104. Veamos los métodos para identificar el condensador y calcular su valor.
El número en el capacitor representa el valor de capacitancia en Picofaradios.
Por ejemplo, 8 = 8PF
Si el tercer número es cero, entonces el valor está en P.
Por ejemplo, 100 = 100PF
Para un número de 3 dígitos, el tercer número representa el número de ceros después del segundo dígito.
Por ejemplo, 104 = 10 – 0000 PF
Si el valor se obtiene en PF, es fácil convertirlo en KPF o uF
PF / 1000 = KPF o n, PF / 10, 00000 = uF. Para un valor de capacitancia de 104 o 100000 en pF, es 100KpF o n o 0.1uF.
Breve historia del condensador
En octubre de 1745, Ewald Georg von Kleist de Pomerania en Alemania descubrió que la carga podía almacenarse conectando un generador electrostático de alto voltaje mediante un cable a un volumen de agua en un recipiente de vidrio portátil. La mano de Von Kleist y el agua actuaban como conductores, y la jarra como un dieléctrico (aunque los detalles del mecanismo se identificaron incorrectamente en ese momento). Von Kleist descubrió que tocar el cable producía una chispa poderosa, mucho más dolorosa que la obtenida de una máquina electrostática. Al año siguiente, el físico holandés Pieter van Musschenbroek inventó un condensador similar, que se llamó la Botella de Leyden, en honor a la Universidad de Leiden donde trabajaba. También quedó impresionado por el poder de la conmoción que recibió, escribiendo: «No tomaría una segunda conmoción por el reino de Francia».
Botella de Leyden
Daniel Gralath fue el primero en combinar varias botellas en paralelo en una «batería» para aumentar la capacidad de almacenamiento de carga. Benjamin Franklin investigó la Botella de Leyden y llegó a la conclusión de que la carga estaba almacenada en el vaso, no en el agua como otros suponían. También adoptó el término «batería», (que denota el aumento de potencia con una fila de unidades similares a las de una batería de artillería), que luego se aplicó a grupos de células electroquímicas. Las Botellas de Leyden se hicieron más tarde cubriendo el interior y el exterior de las botellas con papel de aluminio, dejando un espacio en la boca para evitar que se formen arcos entre las láminas. La primera unidad de capacitancia fue la botella, equivalente a aproximadamente 1 nanofaradio.
Las botellas de Leyden se usaron exclusivamente hasta aproximadamente 1900, cuando la invención de la radio (inalámbrica) creó una demanda de condensadores estándar, y el movimiento constante a frecuencias más altas requirió condensadores con menor inductancia. Se comenzó a utilizar una construcción más compacta de una lámina dieléctrica flexible, como papel aceitado intercalado entre láminas de papel de aluminio, enrollado o doblado en un paquete pequeño.
Los primeros capacitores también se conocían como condensadores, un término que todavía se usa ocasionalmente en la actualidad. El término fue utilizado por primera vez para este propósito por Alessandro Volta en 1782, con referencia a la capacidad del dispositivo para almacenar una mayor densidad de carga eléctrica que un conductor aislado normal.
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