Un capacitor es un componente eléctrico de dos terminales que, junto con las resistencias y los inductores, es uno de los componentes pasivos fundamentales en electrónica. Los capacitores tienen todo tipo de aplicaciones críticas en los circuitos.

Lo que hace a un capacitor tan especial es su habilidad para almacenar energía. Son como una batería cargada.

Símbolos y Nomenclatura

Existen dos formas comunes para dibujar los capacitores en los esquemáticos. Siempre tienen dos terminales, los cuales se conectan con el resto del circuito. El símbolo del capacitor consiste en dos líneas paralelas, que son planas o curvas. Las dos líneas deberían estar paralelas la una a la otra, pero no tocándose (esto es representativo de la forma en que se construyen los capacitores).

Cada capacitor debería estar acompañado por un nombre - C1, C2, etc… - y un valor. El valor debería indicar la capacitancia de un capacitor, o en otras palabras, cuantos faradios tiene.

Capacitancia

No todos los capacitores son iguales. Cada capacitor es fabricado para tener una cantidad específica de capacitancia. La capacitancia de un capacitor indica cuanta carga puede almacenar, más capacitancia significa más capacidad para almacenar carga. Resulta que un faradio es harta capacitancia, incluso 0.001F (1 mili faradio - 1mF) es un capacitor grande.

Construcción de un Capacitor

El símbolo esquemático del capacitor representa de una manera bastante fidedigna la forma en que es construido un capacitor. Un capacitor es fabricado de dos placas de metal y un material aislador llamado dieléctrico.

Las placas están hechas de un material conductivo como: aluminio, tantalio, plata, u otros metales.

La capacitancia de un capacitor (cuantos faradios tiene) depende de la manera en que se fabrica. Más capacitancia requiere un capacitor más grande. Las placas que tienen más área superficial superpuestas generan mayor capacitancia, mientras más distancia entre las placas menos capacitancia. Incluso, el material dieléctrico tiene un efecto en cuantos faradios tiene un capacitor.

La fórmula para calcular la capacitancia es:

C = εr (A/d)

  • Donde εr es la permitividad relativa del dieléctrico (un valor constante determinado por el material dieléctrico).

¿Cómo Almacenan Energía los Capacitores?

La corriente eléctrica es el flujo de la carga eléctrica, y esto es lo que los componentes utilizan para encenderse, o girar, o hacer cualquier otra acción. Cuando la corriente fluye por un capacitor, las cargas se “pegan” en las placas porque no pueden atravesar el material dieléctrico aislante.

Los electrones (partículas cargadas negativamente) son pegados a una de las placas, y esta se carga negativamente. Las cargas positivas y negativas en cada una de las placas se atraen, porque eso es lo que hacen cargas opuestas.

Pero, con el material dieléctrico aun entre ellos, por más que se quieran atraer, las cargas van a estar pegadas a las placas por siempre (o hasta que tengan otro lugar para ir). Las cargas estacionarias de estas placas crean un campo eléctrico, el cual induce energía eléctrica potencial y voltaje.

En algún punto, las placas de los capacitores van a estar tan llenas de carga que no van a poder aceptar más carga. Hay suficientes cargas negativas en una placa que van a poder repeler cualquier otra que trate de unirse.

Por ejemplo, en el circuito de abajo, una batería puede ser usada para inducir un potencial eléctrico a través del capacitor. Esto va a causar que se acumulen cargas iguales pero opuestas en cada una de las placas, hasta que estén tan llenas que impidan que fluya más corriente.

La capacitancia de un capacitor (cuantos faradios tiene) nos dice cuanta carga puede almacenar. Cuanta carga el capacitor esta almacenando actualmente depende de la diferencia potencial de sus dos placas.

La capacitancia de un capacitor debe ser siempre un valor constante y conocido. Entonces, podemos ajustar el voltaje para aumentar o disminuir la carga del capacitor.

La relación entre la carga (Q), la capacitancia (C) y el voltaje (V) se expresa mediante la siguiente ecuación:

Q = C * V

Esta ecuación también nos da una buena forma de determinar el valor de un faradio. La esencia de la relación al voltaje y la corriente de un capacitor es esta: La cantidad de corriente a través de un capacitor depende de tanto la capacitancia y la velocidad en que el voltaje aumenta o disminuye.

Si el voltaje a través de un capacitor aumenta rápidamente, una gran corriente positiva será inducida del capacitor. Un aumento de voltaje más lento en un capacitor equivale a una corriente más pequeña.

Parámetros del Capacitor

  • Tamaño: Tanto en término de volumen físico y capacitancia. Generalmente se da que mientras más capacitancia más grande debe ser el capacitor.
  • Voltaje Máximo: Cada capacitor tiene un voltaje máximo que puede caer sobre él. Exceder el voltaje máximo va a resultar en la destrucción del capacitor.
  • Corrientes de Fuga: Cada capacitor está propenso a dejar fugar una pequeña cantidad de corriente a través del material dieléctrico de un terminal al otro. La corriente de fuga hace que la energía almacenada en el capacitor se drene lentamente.
  • Resistencia Equivalente en Serie (RES): Los terminales del capacitor no son 100% conductivos, siempre tendrán una pequeña cantidad de resistencia. Esta resistencia se convierte en un problema cuando fluye harta corriente a través del capacitor, lo que produce calor y perdida de potencia.
  • Tolerancia: Los capacitores tampoco pueden ser hechos para tener un valor de capacitancia exacto.

Tipos de Capacitores

Los capacitores más comunes y más fabricados son los capacitores cerámicos. Los capacitores cerámicos son generalmente pequeños, tanto físicamente como en términos de capacitancia. Es difícil encontrar un capacitor cerámico más grande de 10µF.

Comparado a los igualmente populares capacitores electrolíticos, los cerámicos son un capacitor más ideal (resistencias equivalentes en serie y corrientes de fugas más bajas), pero sus capacitancias pequeñas pueden ser limitantes.

Los electrolíticos son buenos porque pueden tener mucha capacitancia en un volumen relativamente pequeño. Si necesita un capacitor en el rango de 1µF-1mF, lo más probable es que lo encuentre en un formato electrolítico.

Desafortunadamente, los capacitores electrolíticos suelen ser polarizados. Tienen un pin positivo (el ánodo) y un pin negativo (llamado cátodo). Cuando el voltaje es aplicado a un capacitor electrolítico el ánodo debe estar en un voltaje superior que el cátodo.

Si se aplica el voltaje inversamente en un capacitor electrolítico, ellos van a fallar de forma espectacular (hacen un ruido y estallan), y permanente. Estos capacitores también son conocidos por sus fugas, permiten que pequeñas cantidades de corriente (en el orden de los nA) fluyan a través del material dieléctrico de un terminal hacia el otro.

Si estas buscando un capacitor hecho para almacenar energía, no sigas buscando, la respuesta es el súper capacitor. Alta capacitancia, pero solo aguanta 2.5V. Si pueden almacenar mucha carga, pero no pueden trabajar con altos voltajes.

Los capacitores cerámicos y electrolíticos cubren alrededor del 80% del tipo de capacitores que existen (y los súper capacitores solo un 2%). Los capacitores variables pueden producir un rango de capacitancias, las cuales pueden ser una buena alternativa de las resistencias variables en circuitos afinados.

Aplicaciones de los Capacitores

Hay muchas aplicaciones para este pequeño componente pasivo. Mucho de los capacitores que se ven en los circuitos, especialmente los que están presentes en circuitos integrados, son de desacoplamiento.

El trabajo de un capacitor de desacoplamiento es suprimir el ruido de alta frecuencia proveniente de las señales de las fuentes de poder. De una manera, los capacitores de desacoplamiento actúan como una pequeña fuente de poder local para los circuitos integrados (Similar a una UPS de un computador).

Si se cae el voltaje de la fuente de poder de manera temporal (algo que es bastante común especialmente cuando el circuito que se está energizando está constantemente cambiando sus requerimientos de carga), un capacitor de desacoplamiento puede brevemente suministrar potencia al voltaje correcto.

Los capacitores de desacoplamiento se conectan entre la fuente de poder (5V, 3.3V, etc.) y la tierra. Aunque parezca que esto puede crear un corto circuito desde la fuente a tierra, solo las señales de alta frecuencia pueden correr desde el capacitor a tierra. La señal CC va a ir al circuito integrado, como es deseado.

Cuando se colocan los capacitores de desacoplamiento de manera física, siempre deberán ser colocados lo más cerca posible a un circuito integrado. Para tener una buena práctica de ingeniería, siempre agregua por lo menos un condensador de desacoplamiento a cada circuito integrado. Generalmente los de 0.1µF son una buena alternativa, también puedes agregar capacitores de 1µF o 10µF.

Se pueden utilizar los diodos rectificadores para convertir el voltaje CA que sale del enchufe de la pared a voltaje CC que es requerido por la mayoría de los elementos electrónicos. Pero los diodos por si solos pueden convertir una señal CA en una señal CC limpia, ¡Necesitan la ayuda de los capacitores!

Los capacitores son componentes obstinados, siempre van a tratar de resistir cambios repentinos de voltaje. Los filtros de capacitores se cargan a medida que aumenta el voltaje rectificado. Cuando el voltaje rectificado que entra al capacitor comienza su declive rápido, el capacitor va a acceder a su banco de energía almacenada, y va a empezar a descargarse lentamente, suministrando energía a la carga. El capacitor no debería descargarse completamente antes que comience a incrementar la entrada de la señal rectificada, recargando el capacitor.

Parece obvio que si un capacitor almacena la energía, una de sus aplicaciones debería ser suministrar energía a un circuito, al igual que una batería. Lo bueno de los capacitores es que generalmente tienen vidas útiles más largas que las baterías, lo que las hacen una mejor elección del punto de vista ambiental. También son capaces de entregar energía más rápido que una batería, lo cual lo hacen buenos para aplicaciones que requieren una corta pero alta explosión de poder.

Los capacitores tienen una respuesta única a las señales de frecuencias variables. Pueden bloquear las bajas frecuencias o los componentes de señales CC mientras permiten atravesar a las frecuencias altas. Puede ser útil filtrar las señales en muchas aplicaciones de procesamiento de señal.

Otro ejemplo de capacitores como filtro de señal son los circuitos crossover dentro de los parlantes, que separan una pura señal de audio en varias señales. Un capacitor serie va a bloquear frecuencias bajas, dejando pasar la parte de alta frecuencia que resta de la señal al tweeter del parlante.

Bancos de Condensadores Automáticos

El incremento de potencia en transformadores, líneas de transmisión y generadores en las redes eléctricas, ha provocado un importante aumento de la potencia reactiva en la actualidad. Por lo que, el control de estas cargas reactivas, se ha convertido en una necesidad, una de las formas de corrección del factor de potencia es la implementación de los bancos de condensadores automáticos.

Un banco de condensadores automático, es un equipo capaz de adecuarse a las variaciones de potencia de reactiva de la instalación para conseguir y mantener el factor de potencia objetivo de la instalación.

Componentes de un Banco de Condensadores Automático

  1. Regulador de Voltaje: Para el funcionamiento del regulador de voltaje, se debe conectar un transformador de intensidad o corriente (CT) que lea el consumo de la totalidad de la instalación, la capacidad de este transformador debe seleccionarse en función a la corriente del sistema.
  2. Contactor de Maniobra de Condensadores: El contactor de maniobra de condensadores, es un contactor especialmente diseñado para conmutar bancos de condensadores trifásicos, de uno o varios pasos (o escalones) en aplicaciones de corrección del factor de potencia. La conexión de condensadores en bancos de condensadores automáticos provoca elevadas sobre corrientes transitorias. Estas altas corrientes pueden dañar tanto los contactos de los contactores como los capacitores.
    • Cuando la bobina está energizada: Los primeros contactos auxiliares conectan el condensador a la red a través del conjunto de 3 resistencias. Las resistencias de amortiguamiento atenúan el primer pico de corriente y la segunda corriente de irrupción cuando los contactos principales se comienzan a hacer.
    • Cuando la bobina está desenergizada: Los contactos principales se rompen asegurando la ruptura de la corriente capacitiva.
  3. Condensadores: Son los elementos que aportan la energía reactiva a la instalación.
  4. Protecciones: Para el banco de condensadores automáticos se necesitará de un interruptor principal y de protecciones individuales para cada paso, es decir para cada condensador.

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