Capítulo III - Capacitores.docx

Capítulo III – Condensadores - Electricidad
Victor Andrés Gómez Aranibar
Condensadores
Capacidad de un conductor
Cuando un conductor se carga, es decir, se le comunica una carga eléctrica, adquiere
un cierto potencial, que depende de consideraciones geométricas (de su forma). Pues
bien; a la relación entre carga y potencial se le llama CAPACIDAD de ese
conductor. C = Q / V Un conductor que, con la misma carga que otro, adquiera
menor potencial, tendrá más capacidad que el segundo, y viceversa.
La unidad de capacidad es el FARADIO. El faradio es una unidad tan sumamente
grande que no resulta en absoluto práctica…
La unidad de
capacidad es el
FARADIO. El
faradio es una
unidad tan
sumamente
grande que no
resulta
enabsolutoprác
tica
Los submúltiplos del Faradio son:
•
•
•
El microfaradio (m F) = 0,000001 F. (10-6 F )
El nanofaradio (nF) = 0,000000001 F. (10-9 F)
El picofaradio (pF) = 0,000000000001 F. (10-12 F)
Cuando se da la capacidad en "K", no quiere decir Kilofaradio, sino Kilopicofaradio (1000
picofaradios); y como 1000 picofaradios es igual a 1 nanofaradio, cuando alguien nos dice que
un condensador tiene 4K7, nos está diciendo que tiene 4,7 kilopicofaradio, que es lo mismo que
decir 4,7 nanofaradio.
En algunos textos antiguos se representa el picofaradio (pF) como mmF (micro-microfaradio).
Condensadores
Es sabido que cargas del mismo signo se repelen, y de signo contrario se atraen. Debido
a ello, un conductor puede cargarse por influencia de otro, como indica la figura:
Es sabido que
cargas del
mismo signo se
repelen, y de
signo contrario
se atraen
Aproximando al conductor A, (previamente cargado con carga positiva), el conductor B
(descargado, es decir que sus cargas negativas son las mismas que las positivas), las
cargas negativas de éste se ven atraídas por el potencial positivo del A, concentrándose
éstas en el extremo izquierdo. Esta "fuga" de cargas negativas hacia el lado izquierdo
deja el extremo derecho cargado positivamente.
1|Página
Victor Andrés Gómez Aranibar
Capítulo II – Resistencia - Electricidad
El principio del
Condensador:
dosconductores
próximos,
llamados
armaduras,
separados por
un dieléctrico
(aislante).
Si el conductor B, en vez de estar aislado, como en la figura 1, estuviera conectado a
tierra, como en la figura 2, la carga positiva del extremo derecho se descargaría a tierra
(es decir, fluirían electrones de tierra al conductor B, neutralizando su carga positiva,
con lo que dicho conductor B quedaría cargado negativamente.
Este es el principio del CONDENSADOR: dos conductores próximos, llamados
armaduras, separados por un dieléctrico (aislante).
Este conjunto, sometido a una diferencia de potencial V, adquiere en cada armadura
una carga Q, lo que supone la existencia de una capacidad C = Q / V Esta capacidad se
denomina CAPACIDAD DEL CONDENSADOR, que es mayor que la que posee un
solo conductor. Los condensadores se utilizan para almacenar carga eléctrica.
Capacidad de un condensador plano
El condensador plano está formado, como se ve en la figura, por dos armaduras
metálicas (A y B) cada una con una superficie S, separadas por un dieléctrico (que
puede ser aire u otro) de espesor d y constante dieléctrica e. Cuando se trata del aire, la
constante dieléctrica es eo). La capacidad resulta ser: C = e x S / d Lo que quiere decir
que:
•
•
•
2|Página
cuanto más alta se la constante dieléctrica e (también llamada permitividad
dieléctrica) mayor será la capacidad.
cuanto más superficie S tengan las armaduras mayor capacidad
cuanto más separadas (d más grande) estén las armaduras, menor capacidad
Capítulo III – Condensadores - Electricidad
Victor Andrés Gómez Aranibar
Tipos de condensadores
Se diferencian unos condensadores de otros por el dieléctrico.
Así, hay condensadores de aire, papel, mica, styroflex,
electrolíticos, tantalio, policarburo, cerámicos. Por la forma
exterior: tubulares, cilíndricos, planos, de lenteja, de perla, pinup, pasachasis. Hay además otra clasificación: fijos, variables y
ajustables. Condensadores fijos son aquéllos cuya capacidad se
fija en fábrica. Hay ocasiones en que se precisan condensadores
cuya capacidad pueda ser regulada. Cuando disponen de un
mando mecánico fácilmente accesible para tal fin, se llaman variables. Condensadores
ajustables son un tipo especial de condensadores variables, generalmente de pequeña
capacidad, cuyo mando mecánico es menos manejable, ya que, una vez ajustados no
suelen volverse a retocar. Incluso se fija el ajuste por medio de una gota de lacre o cera.
Se les llama generalmente padders y trimmers.
Para conseguir que un condensador se de capacidad variable, se puede hacer que varié
cualquiera de las tres magnitudes de la que depende la capacidad como son: la superficie
enfrentada de sus armaduras, la separación entre ellas o el dieléctrico (permitividad).
Generalmente se varía la superficie, enfrentando más o menos las armaduras, por medio de un
mando giratorio, aunque algunos padders varían la distancia.
Para conseguir
que un
condensador se
de capacidad
variable, se
puede hacer
que varié
cualquiera de
las tres
magnitudes de
la que depende
la capacidad
como son: la
superficie
enfrentada de
sus armaduras,
la separación
entre ellas o el
dieléctrico
(permitividad).
Condensadores cerámicos
Condensadores cerámicos miniatura tipo lenteja tensión máxima de
trabajo 100V, tolerancias estándar +/- 2% hasta 560pF y +/-10% para
capacidades superiores.
Condensadores electrolíticos
Condensadores electrolíticos radiales, diversas tensiones para
cada tipo de capacidad, tolerancias sobre la capacidad del 10%
hasta los 330uF 20% para capacidades superiores.
Condensadores MKT
Condensador de Poliéster metalizado (MKT), la tensión de trabajo y
el "raster" (separación entre patillas) varía según las capacidades, y se
indica para cada componente. La tolerancia estándar es del 5%.
Condensadores poliéster
Poliéster metalizado lacado, la tensión estándar para todos es de
400V, el "raster" (separación entre patillas) varias según la cada
capacidad. La tolerancia es de +/- 10% para todas las capacidades.
3|Página
Capítulo II – Resistencia - Electricidad
Victor Andrés Gómez Aranibar
Condensadores tántalo
Gran capacidad y un tamaño muy pequeño. Condensadores
polarizados, el positivo esta marcado con un signo más y su patilla
correspondiente es mas larga. Tolerancia de un 20% sobre su
capacidad.
Condensador ajustable - trimmer
Condensadores ajustables miniatura para uso general, de uso en
circuitos impresos. Tensiones máximas de trabajo: 250V para
trimmers de 7,5mm de diámetro y 240V para trimmers de 10mm de
diámetro.
Condensadores NPO
Condensadores profesionales de alta calidad mecánica y eléctrica, los
condensadores de este tipo son muy estables a las variaciones de
temperatura, al tiempo de funcionamiento de frecuencia y mecánicas. Excepcionales
para el uso en circuitos oscilantes, temporizadores y filtros,
Tensión de trabajo 100V.
Condensadores cerámicos tipo placa, grupo 1 y 2
4|Página
Capítulo III – Condensadores - Electricidad
Victor Andrés Gómez Aranibar
Condensadores cerámicos tipo disco, grupo 2
Condensadores cerámicos tubulares – Código de colores
5|Página
Victor Andrés Gómez Aranibar
Código de marcas
Condensadores de plástico – Código de Colores
6|Página
Capítulo II – Resistencia - Electricidad
Capítulo III – Condensadores - Electricidad
Victor Andrés Gómez Aranibar
Código de marcas
Condensadores electrolíticos
Estos condensadores siempre
indican la capacidad en
microfaradios y la máxima
tensión
de
trabajo
en
voltios.Dependiendo
del
fabricante también pueden
venir
indicados
otros
parámetros
como
la
temperatura y la máxima
frecuencia a la que pueden
trabajar.Tenemos que poner
especial atención en la
identificación de la polaridad. Las formas más usuales de indicación por parte de los
fabricantes son las siguientes:
Estos
condensadores
siempre
indican la
capacidad en
microfaradios y
la máxima
tensión de
trabajo en
voltios.
Condensadores de tantalio
Actualmente estos condensadores no usan el código de colores (los más
antiguos, si). Con el código de marcas la capacidad se indica en
microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. El terminal
positivo se indica con el signo +:
7|Página
Victor Andrés Gómez Aranibar
Capítulo II – Resistencia - Electricidad
Limitaciones
La perforación
se produce
cuando salta
una chispa entre
las armaduras.
En un condensador, las armaduras están separadas por un aislante, lo que imposibilita
el paso de la corriente eléctrica (excepto en casos particulares, como se verá más
adelante). No obstante, no existe el aislante perfecto; por tanto, todo condensador
llevará asociada una RESISTENCIA DE FUGAS, que dará idea de su mayor o menor
calidad. Será tanto mejor cuanto menos fugas o pérdidas tenga (cuanto mayor sea su
resistencia de fugas). Esta orientación se suele dar por medio de la TANGENTE DEL
ANGULO DE PERDIDAS, cuyo concepto se ampliará en el estudio de la corriente
alterna.
De otro parte, el grosor del dieléctrico condicionará la máxima tensión que puede
soportar el condensador entre sus armaduras antes de que se perfore el mismo (la
perforación se produce cuando salta una chispa entre las armaduras; una característica de cada
aislante en particular es su campo de ruptura, expresado en tensión/distancia; por ejemplo, el
campo de ruptura del aire seco es de unos 30000 V/cm. Esto quiere decir que para que salte una
chispa a 1 cm. de distancia se necesita una diferencia de potencial de 30000 voltios. Por lo
tanto, el espesor y tipo de dieléctrico determinarán la máxima tención admisible).
Esta orientación, para cada condensador en particular, nos la proporciona el fabricante,
indicándonos cuál es su TENSIÓN DE TRABAJO.
Las variaciones
de temperatura
alteran el
comportamiento
del dieléctrico.
Las variaciones de temperatura alteran el comportamiento del dieléctrico, de tal
manera que la capacidad varía, aunque poco, con la temperatura. En aplicaciones en las
que se requiera alta precisión habrá que tener este punto en consideración. Así pues,
otra característica de un condensador es, el COEFICIENTE DE TEMPERATURA,
que expresa la variación relativa de la capacidad sobre su valor nominal a temperatura
ambiente por cada grado de temperatura.
En los condensadores ELECTROLITICOS, debido al proceso químico de formación
del dieléctrico, habrá que considerar, además, que tienen POLARIDAD: el polo
positivo del condensador debe ir conectado al positivo del circuito y, el negativo, al
negativo del circuito.
Código de colores en los condensadores
Algunos tipos
de
condensadores
llevan su valor
impreso en la
envoltura.
8|Página
Al igual que ocurría con los resistores, algunos tipos de condensadores llevan su valor
impreso en la envoltura (principalmente los electrolíticos y los cilíndricos), pero la
mayoría utilizan un código de colores que, en lo que se refiere al valor de la capacidad
(expresada en PICOFARADIOS, como ya se dijo) y a la tolerancia, sigue el mismo
criterio que aquéllos. Algunos condensadores de alta calidad llevan, además, otras
franjas de color para expresar el COEFICIENTE DE TEMPERATURA y la
TANGENTE DEL ANGULO DE PERDIDAS, según un determinado código.
Capítulo III – Condensadores - Electricidad
Victor Andrés Gómez Aranibar
Medición y comprobación de capacitores electrolíticos
Si bien existen varias pruebas y mediciones que pueden realizarse sobre un capacitor,
mencionaremos aquellas que especialmente estén al alcance de un técnico estudiante o
un profesional reparador y que sean de utilidad para la detección y solución de fallas en
equipos electrónicos.
•
•
•
COMPROBACION DE CONTINUIDAD: se utiliza un óhmetro común para
comprobar si el capacitor está en cortocircuito o con fugas de importancia,
aunque no se podrá comprobar con certeza que esté a circuito abierto o con
intermitencias internas.
MEDICION DE LA CORRIENTE DE FUGAS: se realiza con una fuente de
alimentación de corriente continua que se ajusta a la tensión nominal de
trabajo del capacitor y se aplica al mismo a través de un resistor de, por ejemplo,
1K ohms. La caída de tensión sobre el resistor, medida con un voltímetro, o el
valor de corriente continua medido con un microamperímetro, luego de
producirse la carga inicial, dará idea de la corriente de fuga, que deberá
compararse con la especificada por el fabricante en su hoja de datos. Este tipo
de medición resulta útil en los capacitores conectados como acoplo entre etapas
de, por ejemplo, amplificadores de audio.
MEDICION DE LA CAPACIDAD: puede utilizarse un puente LCR o un
medidor de capacidad (capacímetro) y su lectura servirá para conocer si el valor
de capacidad se encuentra dentro del rango de tolerancia especificada por el
fabricante. Un capacitor en muy mal estado debería reflejar dicha condición en
su valor de capacidad, sin embargo, en la práctica, una variación del 10 % en el
valor de capacidad puede ocultar un daño mayor, de hasta el 120 %, si se elije
evaluar al capacitor midiendo su Resistencia Serie Equivalente (ESR). La
medición de la capacidad será de mayor utilidad para los diseñadores de
9|Página
Victor Andrés Gómez Aranibar
Capítulo II – Resistencia - Electricidad
circuitos de RF, osciladores, circuitos con ajuste de sintonía, etc.
•
MEDICION DE LA RESISTENCIA SERIE EQUIVALENTE (ESR): puede
realizarse con un generador de RF generalmente ajustado a una frecuencia de
unos 50 a 100 KHz. En serie con el capacitor se debe conectar un resistor igual
a la impedancia de salida del generador y en paralelo con él, un milivoltímetro
de RF o bien, un osciloscopio. Cuanta más diferencia de potencial exista sobre
el resistor, mejor será el estado del capacitor. Las lecturas tomadas sólo servirán
para la frecuencia elegida, perdiendo sentido el realizar comparaciones entre
valores de ESR medidos a diferentes frecuencias. También puede utilizarse un
medidor especializado de Resistencia Serie Equivalente, como el CAPACheck.
Un instrumento de este tipo combina todos los instrumentos de laboratorio
mencionados en la medición de ESR, ya conectados y ajustados adecuadamente
a la misma frecuencia. Esta comprobación permitirá medir la resistencia serie
de sus terminales, su unión a las placas, el estado de sequedad del electrolito
interno y de la capa de óxido, es decir, cuán lejos está un capacitor de su
condición inicial de protocapacitor, y será muy útil para determinar
rápidamente el estado dinámico de los capacitores aun conectados a sus
circuitos de trabajo.
Asociación de condensadores
Como todo dipolo,
loscondensadoresse
puedenconectar
enserie, en paralelo
o en asociación
mixta.
Como todo dipolo, los condensadores se pueden conectar en serie, en paralelo o en
asociación mixta.
Asociación de condensadores en serie.
Si, del negativo de la batería, fluyen hacia la armadura de la derecha, por ejemplo, tres
electrones, estos inducen en la placa enfrentada a ella tres cargas positivas, es decir, la
abandonan tres electrones, que irán a parar a la armadura siguiente, que, a su vez,
inducirá una carga de +3 en la siguiente, étc.
La conclusión final es que la CARGA que adquieren los condensadores es LA MISMA
para todos. q1 = q2 = q3 = q Las DIFERENCIAS DE POTENCIAL, en cambio, al
10 | P á g i n a
Capítulo III – Condensadores - Electricidad
Victor Andrés Gómez Aranibar
estar en serie se SUMAN, y dicha suma será igual al potencial V de la batería. V = V1
+ V2 + V3
Teniendo en cuenta que la relación entre la carga q y la tensión V de un condensador es
su capacidad C
C=q/V
Diremos que el potencial V que adquiere un condensador es: V = q / C
Por lo que diremos que en nuestro circuito tendremos:V1 = q1 / C1V2 = q2 / C2V3 = q3 / C3
Pero como ya hemos dicho que:V = V1 + V2 + V3 = q1 / C1 + q2 / C2 + q3 / C3
Como quiera que las cargas de los tres condensadores en serie es la misma
q =q1 = q2 = q3 V = q x [ 1/ C1 + 1 / C2 + 1 / C3 ]
Por lo que: V / q = 1/ CT = 1/ C1 + 1 / C2 + 1 / C3
Asociación de condensadores en paralelo.
En este caso, lo que es igual para todos los condensadores es, obviamente, la
DIFERENCIA DE POTENCIAL, impuesta por el generador.
V = V1 = V2 = V3
En cambio, la CARGA TOTAL entregada por este debe ser igual a la SUMA de las cargas
almacenadas en los condensadores es: qT =q1 + q2 + q3
Como quiera que q = C x V y V = V1 = V2 = V3 tendremos para cada uno de los
condensadores:
q1 = C1 x V
q2 = C2 x V
q3 = C3 x V Así pues:
qT =q1 + q2 + q3 = C1 x V + C2 x V + C3 x V = V x ( C1 + C2 + C3 )
qT / V = CT = C1 + C2 + C3
11 | P á g i n a
Victor Andrés Gómez Aranibar
12 | P á g i n a
Capítulo II – Resistencia - Electricidad