Un condensador eléctrico o capacitor es un elemento eléctrico que sirve para almacenar carga eléctrica cómo diferencia de potencial.
Es un dispositivo electrónico muy frecuente tanto en circuitos analógicos cómo digitales y cuenta con una estructura muy básica, cuentan al menos con dos placas (conductores eléctricos) separados a una determinada distancia. El espacio que se encuentra entre estas dos placas suelen estar llenos de algún material aislante dieléctrico, aunque también puede haber vacío.
¿Cómo funciona un condensador?
Al conectar a un circuito eléctrico con diferencia de potencial un condensador, una de las láminas (la más cercana al polo negativo de la pila) se comienza a cargar negativamente al llenarse de electrones provocando así que la otra placa libere electrones y de esta forma quedando cargada positivamente.
Una vez se encuentre cargado el condensador estará preparado para conectarlo a un receptor de salida, comportándose así como una batería.
El aislante dieléctrico que separa ambas placas del condensador suelen ser materiales como papel, aluminio, cerámica e incluso aire.
La capacitancia de un condensador, es decir, la cantidad de carga que puede llegar a almacenar, su unidad de medida es en Faradios. Por norma general la capacitancia de un condensador se mostrará en microfaradios 10 elevado a -6 faradios.
Si deseamos calcular la capacidad de un condensador deberemos utilizar la siguiente fórmula:
C = q / V donde, q es la carga de una de las placas y V es la diferencia de potencial entre las placas del condensador.
Carga y descarga de condensadores
Los condensadores no se descargan inmediatamente, tienen un periodo de transición desde su estado de carga al de descarga, lo mismo ocurre a la hora de cargarlos.
Ahora nos vamos a centrar en estudiar detalladamente el proceso de carga y descarga de un condensador con un circuito muy sencillo, utilizando únicamente dos resistencias, una pila y un conmutador.
Carga de un condensador
En el presente circuito, colocamos R1 antes del condensador para proteger la carga del condensador, ya que aunque el condensador en su interior cuenta con una resistencia, esta es despreciable.
¿Por qué se daña el condensador durante su carga? Recordando la Ley de Ohm, tenemos que:
I = V / R
Si obviamos R1 antes del condensador en nuestro circuito y al ser la resistencia del propio condensador despreciable, la intensidad que circule por el condensador será muy grande y dañará el condensador.
Por tanto y siguiendo con el ejercicio de carga del condensador, al colocar el conmutador tal y como aparece en la imagen, nuestro condensador estará conectado en serie con R1 y se encontrará en proceso de carga. Cuanto mayor sea R1, mayor será el tiempo de carga, ya que menor será la intensidad que circule por el condensador.
Fijándonos en la gráfica de carga de un condensador, enfrentando la tensión del condensador y el tiempo de carga, obtenemos que
t = 5 x R x C (tiempo de carga del condensador)
Siendo:
- t = tiempo de carga
- R = resistencia de carga
- C = Capacidad del condensador
Una vez el condensador se cargue completamente comenzará a comportarse como si el circuito se encontrase abierto.
Descarga de un condensador
En este caso vamos a cambiar la posición del conmutador para provocar la descarga del condensador hacia la resistencia R2. La descarga no será inmediata, al igual que en el caso de la carga, dependerá de factores como el valor de la resistencia y la capacitancia del condensador, cuanto mayor sea la resistencia más rápida será la descarga.
La fórmula que tendremos que utilizar para el cálculo del tiempo de descarga de un condensador será la misma que para la carga de este.
t = 5 x R x C (tiempo de carga del condensador)
Siendo:
- t = tiempo de carga
- R = resistencia de carga
- C = Capacidad del condensador
Un uso muy frecuente que tienen los condensadores es para las fuentes de alimentación o en los rectificadores de media onda, para estos casos los condensadores son utilizados como filtros, veamos este caso:
Colocando un condensador conectado a una corriente alterna y en paralelo a una resistencia, estaremos haciendo uso del condensador como filtro. Expliquemos el gráfico:
En el instante que conectamos el circuito a la corriente alterna el condensador se encuentra descargado y la alimentación comienza a cargarlo, al cabo de un tiempo el cargador se encontrará cargado completamente.
Una vez el condensador se encuentra cargado, comienza a descargarse contra la resistencia, pero prácticamente al instante que comienza a descargarse, el generador lo detecta y comienza a cargarlo nuevamente. Por tanto, el condensador no se llegará a descargar por completo en ningún momento.
El voltaje de la resistencia, al encontrarse en paralelo con el condensador, será el mismo que tenga el condensador, de esta forma obtenemos una onda rectificada por lo que solo tendrá la cresta de la onda.
Tipos de condensadores
Los condensadores eléctricos son clasificados en función del aislante dieléctrico que se encuentra entre sus placas. Existen multitud de tipos de condensadores, los más comunes son los siguientes:
1. Condensadores de Cerámica.
Es común denominar también a los condensadores de cerámica como condensadores de lenteja o disco, debido a su forma característica. Su capacidad suele ser muy pequeña, pero son ideales para circuitos de audio como compensadores de alta frecuencia.
Los condensadores cerámicos deben su nombre a sus componentes y es que sus placas están separadas con dos o más capas alternas de cerámica, actuando la cerámica como aislante dieléctrico.
Por lo general, los condensadores eléctricos cerámicos se dividen en dos clases en función de su comportamiento:
- Clase 1: condensadores con alta estabilidad y bajas pérdidas, compensando la influencia de la temperatura en circuitos resonantes.
- Clase 2: condensadores de alta eficiencia volumétrica para ser utilizados en buffer bypass y acoplamientos.
Los condensadores de cerámica rondan capacidades desde picofaradios hasta dos microfaradios (µF), pero sus valores nominales de tensión suelen ser bajos.
Los condensadores con aislante dieléctrico cerámico son muy baratos de fabricar. Aunque su tolerancia no es extraordinaria, para el papel que desempeñan en los circuitos es suficiente.
Por norma general, este tipo de condensadores lleva un código de 3 dígitos impreso en su superficie para así identificar la capacitancia en picofaradios (pF). Los dos primeros dígitos indican el valor de los condensadores y el tercer dígito el número de ceros que se deben agregar.
2. Condensadores electrolíticos.
Los condensadores electrolíticos utilizan líquido iónico (solución de electrolito semilíquido) en forma de gelatina o pasta como su segundo electrodo, en lugar de una película metálica muy fina.
Estos condensadores son utilizados de forma habitual cuando se necesitan valores de capacitancia muy elevados.
Se debe tener mucho cuidado al colocar un condensador electrolítico en circuitos de corriente continua, ya que estos condensadores están polarizados y se debe conectar positivo al terminal positivo y negativo al terminal negativo, ya que en caso de colocarlo de forma incorrecta puede causar daños permanentes.
Dentro de los condensadores electrolíticos nos encontramos con otra clasificación en función del dieléctrico utilizado:
- Condensadores electrolíticos de aluminio: el aluminio actúa como aislante dieléctrico.
- Condensadores electrolíticos de tantalio: el pentóxido de tantalio actúa como aislante dieléctrico.
- Condensadores electrolíticos de niobio: el pentóxido de niobio actúa como dieléctrico.
3. Condensadores de papel.
Los condensadores de papel utilizan láminas de papel como aislante dieléctrico para almacenar la carga. Está compuesto de láminas de aluminio y láminas de papel cubierta de aceite o cera para protegerlas del exterior.
Su rango de capacitancia oscila entre los 500 pF a 50 µF y un voltaje de trabajo elevado, por lo que se usa principalmente en equipos de alta tensión.
La principal desventaja de este tipo de condensadores es que su tasa de fuga es bastante alta por lo que es desaconsejable usarlos en circuitos de corriente alterna, además de unas tolerancias no mejores del 10% al 20%, haciéndolos incompatibles para circuitos de temporización de precisión.
4. Condensadores de película.
Los condensadores más utilizados y por tanto los más comunes, son los condensadores de película. Estos condensadores lo forman una gran familia de condensadores los cuales cuentan con los siguientes aislantes dieléctricos:
- Papel metalizado
- Policarbonato
- Teflón
- Poliestireno
- Poliéster
- Polipropileno
Podemos encontrarlos con casi cualquier capacidad y con voltajes de hasta 1500 voltios, su rango de tolerancia es entre el 0,01% y 10%.
Dentro de los condensadores de película, los podemos clasificar en función de su forma y estilo de carcasa (caja):
- Envuelto con cinta (ovalado y redondo): son envueltos con una cinta de plástico y los extremos se sellan con epoxi.
- Metal sellado herméticamente (rectangular y redondo); el condensador se encuentra dentro de un tubo de metal y sellado con epoxi.
- Caja de epoxi (rectangular y redondo): la carcasa del condensador es de plástico moldeado que luego es rellenado de epoxi.
Para disminuir los riesgos de rotura en la película de estos condensadores, es necesario la utilización de películas dieléctricas mucho más gruesas.
Los condensadores de película tienen un mayor tamaño y son más caros, estos condensadores pueden utilizarse en circuitos de corriente alterna ya que no se encuentran polarizados y sus parámetros eléctricos son mucho más estables.
5. Condensadores variables.
Los condensadores variables son aquellos en los que tenemos una variación continua de la capacitancia, muy utilizados para sintonizar radios de transistores, transmisores y receptores.
La capacitancia de los condensadores variables determina la posición en la que se encuentren las placas móviles en relación con las placas fijas. Para tener la capacitancia máxima estas placas deberán combinarse completamente con las placas fijas.
6. Supercondensadores.
Los condensadores habitualmente utilizados para la retención de memoria y tareas similares, son los denominados supercondensadores, los cuales pueden alcanzar niveles de capacitancia de 1 o más Faradios.
Los supercondensadores cuentan con un aislante dieléctrico formado por electrolitos que se encuentran rodeados de iones de carbón activo.
Son condensadores ideales para la retención de memoria en los periodos en los que se puede ir la energía, ya que pueden proporcionar corriente y voltaje residual suficiente para retener la memoria.
Los supercondensadores se clasifican en función del diseño de su electrodo:
- Pseudocondensadores; condensadores con óxido de metal.
- Condensadores de doble capa: condensadores con electrodos de carbono o sus derivados.
- Condensadores híbridos: condensadores con electrodos asimétricos.
Los supercondensadores son utilizados principalmente en fuentes de energía temporal reemplazando el uso de baterías.
Código de colores de los condensadores
El código de colores de los condensadores es el siguiente:
Condensadores en serie
Podemos denominar que dos o más condensadores se encuentran conectados en serie cuando cada uno de ellos se encuentra colocado a continuación del anterior a lo largo del hilo conductor del circuito.
El voltaje total del circuito será la suma de las tensiones de todos sus condensadores.
Vt = V1 + V2 + V3
Recordemos que: V1 = q / C1, pudiendo sustituir esta fórmula en las V de la anterior, obteniendo de esta forma la fórmula necesaria para calcular la capacidad total de circuito:
1 / Ct = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3
Condensadores en paralelo
Denominaremos un circuito de condensadores en paralelo cuando estos comparten sus extremos.
En este caso tenemos que la tensión de cada condensador es la misma, en caso de un circuito simple de condensadores en paralelo, sería el mismo voltaje que la pila.
Vt = V1 = V2 = V3
El cálculo de la capacidad total de un circuito de condensadores en paralelo es mucho más sencillo que en los circuitos en serie, ya que únicamente tendremos que sumar las capacidades de los condensadores.
Ct = C1 + C2 + C3