Un capacitor es un componente eléctrico de dos terminales, fundamental junto con las resistencias e inductores. Su característica principal es la capacidad de almacenar energía.
Símbolos y Nomenclatura
Existen dos formas comunes de representar los capacitores en los esquemas de circuitos. Siempre tienen dos terminales que se conectan al resto del circuito. El símbolo del capacitor consiste en dos líneas paralelas, planas o curvas. Estas líneas deben ser paralelas entre sí, pero sin tocarse, lo cual representa la construcción interna del capacitor.
Los símbolos estándar de capacitores son (1) y (2). El símbolo con la línea curva (2) indica que el capacitor es polarizado, lo que sugiere que probablemente sea un capacitor electrolítico. Cada capacitor debe estar acompañado por un nombre (C1, C2, etc.) y un valor, que indica su capacitancia en faradios.
Capacitancia y Fabricación
No todos los capacitores son iguales. Cada uno está fabricado para tener una cantidad específica de capacitancia. La capacitancia indica cuánta carga puede almacenar; a mayor capacitancia, mayor capacidad de almacenamiento. Un faradio es una unidad de capacitancia muy grande; incluso 0.001F (1 mili faradio - 1mF) es un capacitor grande.
El símbolo esquemático del capacitor representa la forma en que se construye. Un capacitor se fabrica con dos placas de metal y un material aislante llamado dieléctrico. Las placas están hechas de materiales conductores como aluminio, tantalio, plata u otros metales. La capacitancia depende de la fabricación: más capacitancia requiere un capacitor más grande. Las placas con mayor área superficial superpuesta generan mayor capacitancia, mientras que una mayor distancia entre las placas disminuye la capacitancia. El material dieléctrico también influye en la capacitancia.
Funcionamiento del Capacitor
La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica. Cuando la corriente fluye a través de un capacitor, las cargas se "pegan" en las placas porque no pueden atravesar el material dieléctrico aislante. Los electrones (partículas cargadas negativamente) se acumulan en una placa, cargándola negativamente. Las cargas positivas y negativas en cada placa se atraen, creando un campo eléctrico que induce energía eléctrica potencial y voltaje.
En algún punto, las placas del capacitor se llenan de carga y no pueden aceptar más. En un circuito, una batería puede inducir un potencial eléctrico a través del capacitor, causando la acumulación de cargas iguales pero opuestas en cada placa hasta que impiden que fluya más corriente.
Relación entre Capacitancia, Voltaje y Carga
La capacitancia de un capacitor (en faradios) indica cuánta carga puede almacenar. La cantidad de carga que un capacitor está almacenando depende de la diferencia de potencial entre sus placas. La capacitancia siempre debe ser un valor constante y conocido. Por lo tanto, podemos ajustar el voltaje para aumentar o disminuir la carga del capacitor. La capacitancia (C) se relaciona con la carga (Q) y el voltaje (V) mediante la ecuación: Q = CV. Esta ecuación también proporciona una forma de determinar el valor de un faradio.
La cantidad de corriente a través de un capacitor depende tanto de la capacitancia como de la velocidad a la que el voltaje aumenta o disminuye. Si el voltaje a través de un capacitor aumenta rápidamente, se inducirá una gran corriente positiva desde el capacitor. Un aumento de voltaje más lento en un capacitor equivale a una corriente más pequeña.
Características de los Capacitores
Los capacitores se distinguen por varias características:
- Tamaño: Tanto en volumen físico como en capacitancia. Generalmente, a mayor capacitancia, mayor tamaño.
- Voltaje Máximo: Cada capacitor tiene un voltaje máximo que puede soportar. Exceder este voltaje resulta en la destrucción del capacitor.
- Corrientes de Fuga: Los capacitores no son perfectos y pueden dejar fugar una pequeña cantidad de corriente a través del material dieléctrico.
- Resistencia Equivalente en Serie (RES): Los terminales del capacitor no son 100% conductivos y tienen una pequeña resistencia, que puede generar calor y pérdida de potencia cuando fluye mucha corriente.
- Tolerancia: Los capacitores no se fabrican con un valor de capacitancia exacto, por lo que se indica una tolerancia.
Tipos de Capacitores
Existen varios tipos de capacitores, entre los que destacan:
Capacitores Cerámicos
Son generalmente pequeños, tanto físicamente como en términos de capacitancia. Es difícil encontrar un capacitor cerámico más grande de 10µF. Un capacitor cerámico de montaje en superficie se encuentra generalmente en empaquetaduras pequeñas de 0402 (0.4mm x 0.2mm), 0603 (0.6mm x 0.3mm) o 0805. Comparados con los capacitores electrolíticos, los cerámicos son más ideales (resistencias equivalentes en serie y corrientes de fugas más bajas), pero sus capacitancias pequeñas pueden ser limitantes.
Capacitores 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. El cátodo de un capacitor electrolítico es generalmente identificado con un signo “-“y una franja de color en la carcasa. La pata del ánodo puede ser un poco más larga que la del cátodo como otra manera de marcar la diferencia. 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.
Súper Capacitores
Son ideales para almacenar energía. Pueden almacenar mucha carga, pero no pueden trabajar con altos voltajes. Un súper capacitor de 10F solo puede funcionar a máximo 2.5V. La aplicación principal de los súper capacitores es almacenar y liberar energía, como las baterías que son su mayor competencia.
Los capacitores cerámicos y electrolíticos cubren alrededor del 80% del tipo de capacitores que existen (y los súper capacitores solo un 2%). Hay muchos más capacitores que son pocos comunes. Los capacitores variables pueden producir un rango de capacitancias, las cuales pueden ser una buena alternativa de las resistencias variables en circuitos afinados. Los alambres torcidos o los PCB pueden crear capacitancia (a veces indeseadas) debido a que ambos consisten en dos conductores separados por un aislante. La botella de Leyden es un jarro de vidrio llenado y rodeado con alambres, son los predecesores de la familia de los capacitores.
Conexión de Capacitores
Al igual que las resistencias, múltiples capacitores se pueden combinar en serie o paralelo para crear una capacitancia combinada equivalente. Si tienes dos capacitores de igual valor en serie, la capacitancia total es la mitad de su valor.
Aplicaciones de los Capacitores
Los capacitores tienen diversas aplicaciones en circuitos electrónicos:
Desacoplamiento
Muchos 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.
Filtros en Fuentes de Alimentación
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. Si desarmas cualquier fuente de poder AC a DC, vas a encontrar al menos un capacitor grande. Hay cuatro capacitores electrolíticos que parecen latas que tienen un rango de 47µF a 1000µF. El rectángulo grande y amarillo que esta adelante es un capacitor de película de polipropileno de 0.1µF.
Almacenamiento de Energía
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.
Filtros de Señal
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.
TAG: #Trabajo
