Capacidad y uso de condensadores

Capacidad y uso de condensadores
Capacitancia o Capacidad
Capacitancia (simbolo C) es una medida de la habilidad de un
capacitor o condensador para almacenar carga eléctrica. Una gran
capacidad significa que más carga puede ser almacenada. La Símbolo capacitor nopolarizado
capacidad es medida en faradios o Faraday, su símbolo es F. Sin
embargo 1F es una unidad muy grande, son usados prefijos
(multiplicadores) para mostrar los valores más pequeños:
* m (mili) quiere decir 10-3 , así 1000 mF = 1 F
* µ (micro) quiere decir 10-6, así 1000 µF = 1 mF
* n (nano) quiere decir 10-9 , así 1000nF = 1 µF
* p (pico) quiere decir 10-12 , así 1000pF = 1 nF
Símbolo capacitor polarizado
Carga y Energía almacenada
La cantidad de carga (símbolo Q) almacenada por un capacitor está dada por:
Carga, Q =C×V donde:
Q = carga in coulombs (C)
C = capacidad in faradios (F)
V = voltaje en voltios (V)
Cuando almacenan carga, los condensadores están también almacenando energía:
Energía, E = ½QV = ½CV² donde E = energía en joules (J).
Nota que los condensadores devuelven al circuito su energía almacenada. Ellos no usan la energía
eléctrica para convertirla en calor como lo hace una resistencia. La energía almacenada por un
condensador es mucho más pequeña que la almacenada por una batería así que no pueden ser
usados como una fuente práctica de energía para la mayoría de los propósitos.
Reactancia Capacitiva Xc
La reactancia capacitiva (símbolo Xc) es una medida de la oposición que presenta el condensador a
la corriente alterna (AC). Es similar a la resistencia y es medida en ohmios, Ω, pero la reactancia es
más compleja que la resistencia porque su valor depende de la frecuencia (f) de la señal eléctrica
que pasa a través del condensador así como del valor de la capacidad, C.
reactancia capacitiva, Xc =
1
2 fC
donde:
Xc = reactancia in ohmios ( Ω)
f = frecuencia in Hertz (Hz)
C = capacidad in faradios (F)
La reactancia Xc es mayor para bajas frecuencias y pequeña a altas frecuencias. Para corriente
continua (DC) como la frecuencia es cero, Xc es infinita (oposición total), así la regla es que los
condensadores dejan pasar la AC pero bloquean la DC.
Por ejemplo un condensador de 1µF tiene para una señal de 50Hz una reactancia de 3,2 k Ω, pero
cuando la frecuencia es más alta como a 10 kHz su reactancia es de solo 16 Ω.
1
Capacidad y uso de condensadores
Capacitores en serie y paralelo
La capacidad combinada (C) de condensadores conectados
en serie es:
1/C = 1/C1 +1/ C2+ 1/C3 + ...
La capacidad combinada (C) de condensadores conectados
en paralelo es:
C = C1 + C2 + C3 + ...
Dos o más condensadores raramente están conectados en
serie en circuitos reales, pero puede ser muy útil conectarlos
en paralelo para obtener una capacidad muy grande, por
ejemplo para filtrar una fuente de alimentación.
Nota que estas ecuaciones son la manera opuesta para
calcular resistencias en serie y paralelo.
Carga del condensador
El condensador (C) en el circuito está siendo cargado
desde una fuente de alimentación (Vs) con el paso de la
corriente a través de una resistencia (R). El voltaje a
través del condensador (Vc) es inicialmente cero pero
éste se incrementa a medida que se carga el condensador.
El condensador está totalmente cargado cuando Vc = Vs.
La corriente de carga (I) está determinada por el voltaje
a través de la resistencia (Vs - Vc):
corriente de carga, I = (Vs - Vc) / R (nota que Vc se
está incrementando)
En el instante inicial Vc = 0V así la corriente inicial, Io =
Vs / R
Vc se incrementa tan pronto como la carga (Q) se inicia
para crecer (Vc = Q/C), esto reduce el voltaje a través de
la resistencia y por lo tanto reduce la corriente de carga.
Esto significa que la velocidad de carga se hace
progresivamente más lenta.
Constante de tiempo = R × C
donde: la constante de tiempo está en
segundos (s)
R = resistencia en ohmios (Ω)
C = capacidad en faradios (F)
Por ejemplo:
Si R = 47 kΩ y C = 22 µF, entonces la constante de tiempo es, RC = 47 kΩ × 22 µF = 1,0 s.
Si R = 33 kΩ y C = 1 µF, entonces la constante de tiempo es, RC = 33 kΩ × 1 µF = 33 ms.
Una gran constante de tiempo significa que el condensador se carga lentamente. Nota que la
constante de tiempo es una propiedad del circuito que contiene la capacidad y la resistencia,
no es propiedad solamente del condensador.
Durante la carga transcurrida la primer constante de tiempo 1RC se sabe que el voltaje del
condensador alcanza el 63 % del voltaje final, es decir del de la batería o fuente de alimentación.
2
Capacidad y uso de condensadores
La gráfica siguiente muestra cómo el voltaje (V) se
incrementa mientras se carga el condensador. Al
principio el voltaje cambia rápidamente porque la
corriente es grande; pero como vaya decreciendo la
corriente, la carga crece más lentamente y así lo
hace también el voltaje.
Después de transcurridas 5 constantes de tiempo
(5RC) el condensador está casi totalmente cargado
con su voltaje prácticamente igual al de la fuente de
alimentación. Desde un punto de vista práctico
podemos decir bastante razonablemente que el
condensador está totalmente cargado después de
5RC, aunque realmente se sigue cargando
indefinidamente (o mientras el circuito está
conectado).
Tiempo
Voltaje
Carga
0RC
0.0V
0%
1RC
5,7V
63%
2RC
7,8V
86%
3RC
8,6V
95%
4RC
8,8V
98%
5RC
8,9V
99%
Gráfica que muestra la corriente y el
voltaje durante la carga de un
condensador
constante de tiempo = RC
Descarga del condensador
El gráfico muestra cómo la corriente (I) decrece a medida que se descarga el condensador. La
corriente inicial (Io) está determinada por el valor inicial del voltaje sobre el condensador (Vo) y el
valor de la resistencia(R):
corriente inicial , Io = Vo / R.
Nota que el gráfico de la corriente tiene la misma forma tanto para la carga como para la
descarga del condensador. Este tipo de gráfico es un ejemplo de una caída exponencial.
La gráfica muestra como el voltaje (V) disminuye a
medida que el condensador se descarga. Al principio la
corriente es grande porque el voltaje es grande, la carga
se pierde rápidamente y así lo hace también el voltaje.
Como se vaya perdiendo carga el voltaje se verá
reducido haciendo la corriente más pequeña así la
velocidad de descarga se hace progresivamente más
lenta.
Después de 5 constantes de tiempo (5RC) el voltaje a
través del condensador es casi cero y podemos decir
razonablemente que el condensador está totalmente
descargado, aunque la descarga continúa
indefinidamente.
Tiempo Voltaje
Carga
0RC
9,0 V
100%
1RC
3,3 V
37%
2RC
1,2 V
14%
3RC
0,4 V
5%
4RC
0,2 V
2%
5RC
0,1 V
1%
3
Capacidad y uso de condensadores
Gráfica que muestra la corriente y el voltaje
durante la descarga de un condensador
constante de tiempo = RC
Aplicaciones de los capacitores o condensadores
Los condensadores se usan para varios propósitos:
• Timing (temporizadores)– por ejemplo con un a 555 timer IC controlando la carga y la
descarga.
• Smoothing (filtrado-suavizado) - por ejemplo en una fuente de alimentación.
• Coupling (acoplamiento) - por ejemplo entre etapas de sistemas de audio y para conectar
un altavoz.
• Filtering (fitros) – por ejemplo en el control de tonos de un sistema de audio.
• Tuning (sintonía) – por ejemplo en un sistema de radio.
• Almacenamiento de energía - por ejemplo en el circuito del flash de una cámara de fotos.
Clasificación y partes del condensador
Básicamente un condensador consta de
dos placas metálicas paralelas, separadas
por un material aislante o dieléctrico.
Según la naturaleza de este último, la
superficie de las placas y la separación
entre ambas podrá aumentar o disminuir
el valor de la capacidad.
La capacidad está determinada por:
donde:
ε0: constante dieléctrica del vacío
εr: constante dieléctrica o permitividad relativa del material
dieléctrico entre las placas
A: el área efectiva de las placas
d: distancia entre las placas o espesor del dieléctrico
4
Capacidad y uso de condensadores
Según el tipo de dieléctrico utilizado se pueden clasificar en:
# Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con
dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad,
sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de
pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.
# Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada como
dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, división en láminas finas, soporta altas temperaturas y
no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita
aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos
alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas
frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por
otros tipos.
# Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otro
tratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una
de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio
constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales.
# Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su
primera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una
capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda
armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para
funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un
cortocircuito entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el
condensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolito
empleados:
* Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una
disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a
frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado
en fuentes de alimentación conmutadas.
* Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio
en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los
condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen.
* Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores
electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son
inservibles para altas frecuencias.
# Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las
que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los
extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y
polipropileno, como dieléctrico.
# Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen
tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas
apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.
5
Capacidad y uso de condensadores
# Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un
eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra armadura fija. El perfil de la
armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que
gira el eje.
Condensadores electrolíticos de
tantalio
Condensadores de poliéster
Condensador variable de una vieja
radio de AM
Condensadores cerámicos, "SMD
(montaje superficial)" y de "disco".
Condensadores electrolíticos axiales y
vertical
Condensador electrolítico
Condensadores de varios tipos
6