Capítulo III – Condensadores - Electricidad Victor Andrés Gómez Aranibar

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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…

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).

La unidad de capacidad es el FARADIO. El faradio es una unidad tan sumamente grande que no resulta enabsolutopráctica

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:

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.

Es sabido que cargas del mismo signo se repelen, y de signo contrario se atraen

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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:

• 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

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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, pin-up, 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.

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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

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Condensadores cerámicos tipo disco, grupo 2

Condensadores cerámicos tubulares – Código de colores

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Código de marcas

Condensadores de plástico – Código de Colores

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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 +:

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Limitaciones La perforación se produce cuando salta una chispa entre las armaduras. Las variaciones de temperatura alteran el comportamiento del dieléctrico.

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, 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.

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.

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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

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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

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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

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