Sobre funcionamiento de capacitores o condensadores .

El funcionamiento de capacitores o condensadores elemental puede ser construido a partir de dos láminas o placas metálicas conductoras separadas por un

Principio de funcionamiento de capacitores o condensadores

El funcionamiento de capacitores o condensadores elemental puede ser construido a partir de dos láminas o placas metálicas conductoras separadas por un material aislante denominado dieléctrico, tal como aire, papel, cerámica, mica, plástico, etc.

Normalmente el dieléctrico se dispone en forma de lámina muy fina para que las placas metálicas se encuentren lo mas próximas unas de otras.

funcionamiento de capacitores o condensadores
Partes de un funcionamiento de capacitores o condensadores

Si conectamos las placas de un capacitor a una fuente de tensión como una pila, veremos que hay un movimiento de cargas eléctricas desde los bornes de la pila a las placas.

Conexión de un capacitor a una pila

Los electrones del borne negativo de la pila se irán acumulando en la placa inferior, y los que existían en la placa superior serán atraídos por el borne positivo de la pila, dejando una carga positiva. Este proceso durará un tiempo hasta que las mismas cargas de las placas impidan el movimiento de otras cargas desde la pila. Cuando se detiene el movimiento de cargas decimos que el capacitor está cargado.

Si analizamos el proceso desde el punto de vista de la energía, podemos decir que se transfirió energía desde la pila al condensador, donde queda almacenada.

Si conectamos al capacitor cargado una lámpara, se producirá el efecto opuesto: las cargas de las placas se moverán hacia la lámpara, encendiéndola. Esto seguirá hasta que se vuelva al equilibrio de cargas, momento en que decimos que el capacitor está descargado.

Funcionamiento de capacitores o condensadores

Puedes ver la carga y descarga de un capacitor en la siguiente simulación. En la pantalla inicial selecciona “Bombilla”. Luego, sube el voltaje de la pila. Las cargas se mueven hacia las placas hasta que el capacitor se carga. Luego mueve el interruptor a la derecha conectando la lámpara y observa que sucede.

si no visualizas correctamente la simulación pudes probar con este enlace—>SIMULACIÓN

Capacidad o capacitancia

Funcionamiento de capacitores o condensadores

Se llama capacidad (o capacitancia) de un condensador a su “habilidad” de almacenar carga. Mientras más carga pueda almacenar, mayor será su capacidad. La unidad de medida de la capacidad es el Faradio.

El Faradio es una unidad relativamente grande, por lo que
habitualmente se utilizan sus submúltiplos:
1 mF = mili Faradio = 10 -3 Faradios
1 μF = micro Faradio = 10 -6 Faradios
1 nF = nano Faradio = 10 -9 Faradios
1 pF = pico Faradio = 10 -12 Faradios

Vuelve a la simulación y observa en la parte superior de la pantalla que se muestra el valor de la capacitancia (o capacidad) del capacitor simulado expresada en pico faradios (pF) ya que en realidad el Faradio es una unidad muy grande.

Prueba a cambiar la separación entre las placas y su tamaño y observa como incide ésto en el valor de la capacitancia. También observa la cantidad de carga que se almacena en cada caso y que pasa al descargar el capacitor através de la lámpara.

¿Cómo cambia la capacidad con la separación entre placas?¿Y con su tamaño?

En el caso particular de un capacitor como éste, de placas planas y paralelas, la capacidad viene dada por la siguiente fórmula:

Formula

donde:

C: Capacidad en Faradios
Ɛ0: constante dieléctrica del vacío
Ɛr: Constante dieléctrica relativa del dieléctrico utilizado
A: Área de las placas (m2)
d: distancia entre las placas (m)

Capacitor de placas planas y paralelas

Ejemplo:

Calcular la capacidad de un capacitor de placas paralelas con un área de 1 m2, separadas 1 cm y con un dieléctrico de papel (constante dieléctrica relativa = 2.5)

Solución:

C = Ɛ0 * Ɛr * A /d = 8.854×10 -12 * 2.5 * 1 /0.01 =
= 2.21×10 -9 Faradios = 2,21 nF

Como se pude ver, aunque las placas son enormes (1m x 1m) la capacidad es muy pequeña.

Los capacitores comerciales no se fabrican en la forma de placas paralelas.

Características y tipos

Características de los capacitores

Las características mas importantes de los capacitores, que debemos conocer a la hora de elegir o reemplazar uno, son dos:

Capacidad nominal: Es el valor de capacidad del capacitor. Se expresa en Faradios o sus submúltiplos.

Tensión de trabajo: Es la tensión a la que puede trabajar el capacitor sin sufrir daños. Se expresa en Voltios.

Capacidad nominal y tensión de trabajo

Tipos de capacitores

Existen muchos tipos de capacitores, según sean los materiales utilizados para su fabricación. Cada tipo tiene características particulares, que los hacen mas apropiados para algunas aplicaciones. Veamos los mas comunes.

Capacitores cerámicos

Son muy empleados en electrónica. Usan compuestos cerámicos como dieléctrico. Con ellos se consiguen valores de entre unos pocos pico faradios hasta los 100 nF. Soportan poca tensión, siendo valores típicos 50V o 100V.

Capacitor cerámico
Estructura de un capacitor cerámico (Fuente: electronic-notes.com)

Capacitores cerámicos multicapa

También llamados MLCC (multi layer ceramic capacitor) se construyen como un apilamiento de varios capacitores cerámicos en paralelo, lo que aumenta la capacidad por unidad de volumen. Comparten sus características con los capacitores cerámicos que vimos antes.

Estructura multicapa: 1) Electrodos metálicos, 2) Dieléctrico cerámico, 3) Terminales de conexión (Fuente: Digikey.com)

Capacitores de plástico

Actualmente son muy utilizados. Utilizan como dieléctrico el poliéster, policarbonato, estiroflex, etc. Pueden conseguir capacidades relativamente elevadas (hasta algunos microfaradios) soportando tensiones que llegan a los 1000 Voltios.

Según el material que se emplee será el proceso de fabricación utilizado. Por ejemplo los de poliester se fabrican enrollando láminas de material conductor flexible con la lámina de poliester al medio.

Estructura y aspecto de un capacitor de poliester (Fuente: technologyuk.net)

Capacitores electrolíticos de aluminio

Estos capacitores se diferencian bastante del resto por sus características constructivas. Están constituidos por una fina lámina de aluminio y otra de plomo enrolladas y sumergidas en una solución de cloruro de amonio.
Se consiguen capacidades elevadas en un volumen reducido (desde 1 μF hasta mili Faradios). Una de las características que diferencia a los capacitores electrolíticos de los demás es que tienen polaridad, es decir, no pueden invertirse las conexiones indicadas en el mismo, a riesgo de que el capacitor se dañe o explote.

Capacitor electrolítico de aluminio
Estructura de un capacitor electrolítico

Capacitores de Tantalio

Son una variedad de capacitor electrolítico donde el aluminio es reemplazado por el tantalio.

Son mas pequeños que los de aluminio para un mismo valor de capacidad, aunque mas costosos. Los mas comunes trabajan en tensiones inferiores a los 100V pero se pueden encontrar modelos que soportan hasta 450V.

Su capacidad es elevada, llegando hasta los mili Faradios. Estos capacitores también tienen polaridad, la que debe ser respetada para que no se dañen.

Capacitor de Tantalio

Supercapacitores

Los supercapacitores o ultracapacitores comprenden un grupo de dispositivos que funcionan con distintas tecnologías, como los capacitores electrostáticos de doble capa (EDLC), pseudocapacitores electroquímicos o los capacitores híbridos.

Logran un valor extremadamente alto de capacidad, alcanzando el rango de los Faradios, pero a una tensión baja, como 5 o 12V.

Se los utiliza en algunas aplicaciones como reemplazo de baterías recargables.

Supercapacitor de 3400 Faradios y 2.85V (fuente: digikey.com)

Capacitores variables

Son capacitores cuya capacidad puede ser modificada de manera mecánica actuando sobre la separación o área de las placas o sobre el dieléctrico.

En la actualidad su uso no es tan frecuente ya que se puede obtener el mismo resultado por medios electrónicos.

Capacitor variable tipo “trimmer”
Capacitor variable de aire

Simbología

A continuación se muestran los símbolos normalizados utilizados para representar los distintos tipos de capacitores:

Capacitores No Polarizados

No polarizados

Capacitores polarizados

Capacitores polarizados

Capacitores variables

Capacitores variables

Conexión serie y paralelo

Conexión paralelo

En la siguiente imagen podemos ver a la izquierda un circuito de dos condensadores C1 y C2 en paralelo. Diremos que estos dos condensadores conectados de esta forma equivalen a uno solo con una capacidad equivalente CE de modo tal que si reemplazamos los dos condensadores por este otro, el comportamiento del circuito será el mismo. Veamos ahora de que manera podemos calcular ese valor de capacidad equivalente.

. Capacidad equivalente de condensadores en paralelo

Primero imaginemos que los dos condensadores son del tipo de placas planas, cada uno con placas de áreas A1 y A2, como se ve en la imagen.

Condensadores en paralelo

Como vimos mas arriba, la capacidad de un capacitor de este tipo es directamente proporcional al área de las placas. Esto significa que al conectar los capacitores en paralelo tendremos mas área para almacenar cargas que con uno sólo y que el área total disponible será la suma del área de las placas del condensador C1 mas el área de las placas del condensador C2. Por lo tanto, la carga conjunta de estos dos condensadores o carga total (QT) será la suma de la carga en C1 más la carga en C2:

QT​=Q1+Q2

Pero también sabemos que: Q=C.V

Como los dos condensadores están conectados a la misma tensión V:

QT​=Q1​+Q2​=C1​⋅V+C2​⋅V=

QT​=(C1​+C2​)⋅V

El condensador equivalente tendrá la carga combinada de los dos condensadores QT y está conectado a la misma tensión V, como se ve en la Fig. 1, por lo que podemos poner:

QT​=CE​⋅V=(C1​+C2​)⋅V

Por lo tanto:

CE​=C1​+C2​

Esto lo podemos generalizar para cualquier cantidad de condensadores (N):

CE​=C1​+C2​+…+CN​

Conexión paralelo

Dos o mas condensadores conectados en paralelo equivalen a uno solo cuya capacidad es la suma de las capacidades individuales.

Conexión serie

Si tenemos dos o mas condensadores conectados en serie, podemos repetir el análisis pensando que equivalen a uno sólo cuyo valor de capacidad será CE.

Capacidad equivalente de condensadores conectados en serie

En este circuito serie, circulará una corriente I que es igual en todos los condensadores. Como la corriente no es otra cosa que el movimiento de cargas, si la corriente en cada condensador es la misma, eso implica que la carga de cada capacitor es la misma, y podemos llamarla simplemente Q.

Además, la tensión de alimentación V se repartirá entre los condensadores, así que tendremos un voltaje distinto en cada uno de ellos: V1, V2 y V3.

Carga y tensiones en condensadores

O sea que podemos escribir:

Q=C1​⋅V1​=C2​⋅V2​=C3​⋅V3​

Y también que:

En ese circuito serie, según la ley de Kirchoff, la tensión aplicada V es igual a la suma de las caídas de tensión en cada capacitor:

Volviendo a la imagen de la Fig. 3, los tres condensadores equivalen a uno sólo, por lo tanto la corriente I por el condensador equivalente CE será la misma y su carga será también Q.

La tensión V en función de la capacidad equivalente es:

Conexión serie

Dos o mas condensadores conectados en serie equivalen a uno solo cuya capacidad es el recíproco de la suma de los recíprocos de las capacidades individuales.

Esto significa que la capacidad equivalente será menor que el valor de cada uno de los condensadores individuales, o que conectar condensadores en serie disminuye la capacidad.

Ejemplo

Se conectan en serie tres condensadores de 2.2 uF, 1 uF y 3.3 uF. Calcular la capacidad equivalente

Solución:

O sea que la capacidad equivalente es menor que la del menor de los condensadores (1 uF).

Caso particular

En el caso de tener sólo dos condensadores en serie, la expresión de la capacidad equivalente se puede simplificar operando en el denominador:

Leer mas sobre motores: Aquí

Leer mas sobre capacitores: Aquí

Fuente y Bibliografia: capacitancia.net y varias

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