Capacitores: ¿Qué son los capacitores y como funcionan? Símbolo y aplicaciones.

Introducción a los Capacitores (Condensadores)

Gracias por estar aquí y para dar inicio y como en todo buen articulo debemos comenzar indicando que es un capacitor, aquí te dejo mi definición

Definición: ¿Qué es un capacitor?

Los capacitores o también llamado condensadores, son componentes electrónicos pasivos simples que se caracterizan por almacenar carga eléctrica entre un par de placas cuando a través de ellos fluye una corriente eléctrica.

¿Capacitores o condensadores son lo mismo?

Los condensadores y capacitores son lo mismo, solo que en ciertas zonas y regiones se les llama de un modo u otro, por ejemplo, en México son mas conocidos como capacitores, no obstante, en el área de mecánica automotriz he visto que se les conoce más como condensadores.

El capacitor es un dispositivo electrónico que tiene la magnifica capacidad de guardar energía, la cual se conoce como carga eléctrica y, es capaz de crear una diferencia de potencial (que en electrónica también lo conocemos como voltaje estático) en sus placas que lo componen, de la misma manera que lo haría una pequeña batería recargable, aclaro, no es exactamente igual ya que una batería y un capacitor son componentes completamente diferentes.

Historia: Origen de los capacitores

• 1745 EWald Georg Von Kleist, descubre que la carga eléctrica puede ser almacenada, ya que al conectar un generador electrostático y una botella de vidrio mediante un conductor, Von toca el alambre recibiendo una descarga eléctrica, confirmando su teoría.
• En 1746, Pieter Van Musschenbroek, crea la Botella de Leyden, considerada el primer capacitor de la historia.
• Daniel Gralath, se encargo en combinar varias botellas de Leyden en paralelo, con lo cual logro incrementar el almacenamiento de cargar eléctrica.
• En 1749, Benjamin Franklin establece que la carga se almacena en el borde del cristal de la Botella y no precisamente en el agua. Después de esta aportación, las Botellas se fueron perfeccionando adhiriendo hojas de metal al interior y exterior del frasco, pero, dejando un espacio en la boquilla evitando arcos entre las láminas.
• La primera unidad de capacitancia obtenida fue el llamado «tarro», el cual, equivale a 1.11 nanofaradios.
• Charles Pollak, es considerado el inventor de los primeros capacitores electrolíticos.

Símbolo eléctrico del capacitor

¿Cómo funciona un capacitor?

El principio básico de funcionamiento de este componente se base en:

1. Un condensador tiene dos placas paralelas, y la energía almacenada entre dichas placas, crea un campo eléctrico y una diferencia de potencial entre las terminales del componente.
2. La corriente que entra al componente, intenta fluir a través de el, inyectando cargas positivas a una de las placas.
3. Sin embargo, el aislante que hay entre las placas, impide que la corriente llegue a la segunda placa, lo que obliga a que queden almacenadas en la primera placa.
4. Este comportamiento provoca que en la capa uno del componente se origine un campo eléctrico, como resultado de la carga almacenada, lo que provoca que expulse e inyecte cargas positivas en la segunda placa.
5. Esta inyección de cargas positivas en la segunda placa provoca que, esta segunda placa tenga la misma carga que la placa uno pero con signo contrario.
6. La segunda placa expulsa las cargas positivas hacia la terminal del capacitor dando continuidad a la corriente, ya que la corriente que sale es la misma que entra, pero, para que ello ocurra, el capacitor realiza el comportamiento descrito en esta lista.

A continuación te explicare en forma general cada aspecto importante en el funcionamiento del capacitor, pero dado que es un tema enorme, en esta introducción te dejare links a otros post para que profundices o practiques según sea el caso, en cada uno de los temas.

Por ejemplo, en el funcionamiento general del capacitor podemos indicar los siguientes temas que debemos tratar

• Capacitor ideal y real
• Comportamiento de la corriente eléctrica al pasar por un condensador

Ahora comencemos con el primer tema y vayamos avanzando, recuerda que habrá links a otros post que te recomiendo visitar.

Capacitor ideal y real

El capacitor ideal tiene la propiedad de almacenar carga o energía en forma de campo eléctrico y la tensión entre las terminales la podemos definir por:

Donde C es una constante de proporcionalidad llamada capacitancia: 1 faradio = 1 culombio / 1 volt

Lo anterior indica que si almacenas un culombio con una tensión de un volt, podremos obtener un faradio.

¿Pero qué pasa con la corriente?

Responder esta pregunta es un poco complicada ya que tenemos que utilizar algunos modelo y discriminar el tipo de corriente aplicada, ya sea continua o alterna, así que vayamos paso a paso.

La corriente en un condensador ideal se puede ser definido mediante la ecuación diferencial anterior, donde:

• C es la capacitancia.
• u(t) es la función diferencial que representa el diferencial de potencial aplicado a las terminales del condensador.
• i(t) es la corriente que circula en el circuito.

Propiedades de un capacitor ideal

• Si la tensión de entrada en las terminales es discontinua, la expresión anterior de corriente indica que debería circular una corriente infinita, lo cual no existe.
• Ahora, si el voltaje en el capacitor es constante, el condensador se comporta como un circuito abierto ya que la corriente se hace cero.

Corriente eléctrica en un capacitor

Corriente continua en un condensador

Un condensador que esta bajo los efectos de corriente continua se comporta practicante igual a un capacitor ideal, si hablamos del estado en régimen permanente.

Debido a la capa del dieléctrico y a la separación que hay entre las placas, la corriente eléctrica y específicamente si hablamos de la corriente continua (CC), no puede fluir a través del condensador ya que lo bloquea, no obstante, al estar inyectando esta corriente al capacitor, llegará el momento en que, la carga almacenada sea suficiente a tal grado que exista un voltaje entre las terminales del condensador.

Corriente alterna en un condensador

No obstante, cuando un condensador está conectado a una corriente alterna (CA), el flujo de la corriente eléctrica parece pasar directamente a través del condensador con poca o bien ninguna resistencia, ¡Increíble no! Como es que cambian las cosas cuando existe una variación en el tiempo.

Es importante comprender que cuando existe corriente alterna (CA), la corriente no circula a través del dieléctrico. Lo que realmente sucede es una carga y descarga del capacitor al ritmo de la frecuencia de la señal de entrada.

Por lo tanto, la corriente circula a través de la armadura del condensador, no obstante, en el interior del dieléctrico aparece una corriente de desplazamiento.

Análisis en corriente alterna sinusoidal

Para explicar el comportamiento en alterna cuando se aplica una señal sinusoidal lo haré apoyándome en el siguiente diagrama.

1. De 0 a 90 grados, i(t) disminuye desde su máximo positivo mientras la tensión de carga Vc(t) aumenta,
2. i(t) es cero en el máximo negativo de Vc(t).
3. Entre 90 y 180 grados, la tensión de entrada v(t) disminuye, lo que provoca que el condensador comience a descargarse.
4. Cuando el condensador esta completamente descargado en 180, i(t) alcanza su valor máximo negativo.
5. El análisis es similar de 180 a 360 grados.

En el análisis anterior podemos comprobar fácilmente que la corriente en el condensador esta adelantada 90° grados, respecto a la tensión de entrada.

Carga eléctrica en un capacitor

Hay 2 tipos de carga eléctrica principalmente en un condensador, por ejemplo:

• Carga positiva en forma de protones
• Y una carga negativa en forma de electrones.

Cuando en un capacitor se le aplica un un voltaje de CC ,la carga positiva (+ ve) se almacena rápidamente en una de las placa mientras que la carga negativa (-ve) opuesta se va almacenando en la otra placa.

Por cada partícula de carga positiva que llega y se almacena en una de las placas, una carga saldrá por la otra placa, no obstante, el flujo de carga causa que las placas permanezcan neutras y se establece una diferencia potencial entre ambas placas.

Cuando el capacitor alcanza su condición de estado estable, es decir, llega al nivel de carga para el que fue construido, la corriente eléctrica no fluirá mas a través del capacitor.

Energía almacenada en un capacitor

Bien, debido a que los condensadores almacenan la energía de los electrones en forma de carga eléctrica en las placas, cuanto más grandes sean estas placas o bien sea menor la separación entre ellas, mayor será la carga que el condensador almacena para cualquier voltaje dado a través de sus placas. En otras palabras

En un capacitor entre mas grandes sean las placas y mas pequeña sea la distancia entre ellas la carga almacenada será mayor

Al aplicar un voltaje a un condensador y medir la carga en las placas, la relación de la carga Q y voltaje V dará como resultado el valor de capacitancia del condensador y, por lo tanto, podemos expresar a esta capacitancia como

C = Q / V

Ahora, podemos despejar de la ecuación anterior la carga Q que se almacena en las placas, quedando la formula de la siguiente manera:

Q = C * V

Excelente, ya tienes muchos conocimientos sobre el capacitor y ha llagado el momento de despejar otra duda, por ejemplo, aunque hemos dicho que la «Carga se almacena adentro de un condensador», esta frase técnicamente tiene un falla, ¿Cierto?, es más exacto decir que:

En un capacitor, la carga eléctrica se almacena en forma de un campo electrostático entre las dos placas y en el momento en que una corriente eléctrica fluye hacia el condensador, el capacitor se carga, con lo que, el campo electrostático se vuelve mas fuerte a medida que mas energía entra a la placa.

Del mismo modo, a medida que la corriente fluye fuera del condensador, osea se descarga, la diferencia de potencial entre las placas disminuye y el campo electrostático se reduce a medida que la energía sale de las placas.

La propiedad de un capacitor para almacenar o guardar carga en sus placas en forma de campo electrostático se llama capacitancia, no obstante, la capacitancia también es la propiedad de un condensador que resiste al cambio de voltaje aplicado.

Capacitancia en un capacitor

Ya hemos hablado un poco sobre esta propiedad ahora vamos hacerlo un poco más profundo.

La capacitancia es la propiedad eléctrica de un capacitor para almacenar carga eléctrica entre las placas y su unidad es esta expresada en Farady en honor al físico Michael Faraday.

En forma sencilla puedes entender a la capacitancia diciendo que un capacitor tiene 1 Faradio en el momento en que una carga de un Coulomb se almacena entre las placas del capacitor y da como resultado un Voltaje.

Y quizá en esté momento estés diciendo «1 Faradio» 😱, ¡Oh por dios! jajaja, pero es solo una forma de decirlo, ya que como todos sabemos la unidad de medida Farad es una unidad considerad grande y, es muy raro encontrarla mas hay de los milis, además, siempre será positiva.

Entonces, el Farad es una unidad de medida muy grande para ser utilizada por sí sola, por lo que se utilizan los submúltiplos del Farad, esto es así y prácticamente se emplea de esta manera en la mayoría de los diseños.

Voltaje en un capacitor

Cuando trabajes con capacitores debes pensar en el voltaje que manejaras ya que todos los condensadores tienen una clasificación de voltaje máximo, entonces al escoger un capacitor debes tener en cuenta la cantidad de tensión eléctrica que aplicaras y manejaras en tu proyecto o diseño.

La cantidad máxima de voltaje que se puede aplicar al condensador sin dañar su material dieléctrico generalmente se da en las hojas de datos o datasheet, por ejemplo:

• Voltaje de trabajo WV
• Voltaje de trabajo en directa WV DC

Ten en cuenta que si el voltaje aplicado al capacitor es demasiado grande, el dieléctrico puede llegar al punto de ruptura y se formará un arco entre las placas del condensador, lo que provocará un cortocircuito y en casos muy peligrosos explotar, debes ser cuidadoso en esto, me ha tocado ver en los laboratorios descuidos por personas experimentadas que han sufrido daños, por no tener el este dato de voltaje presente, QUE NO TE PASE A TI AMIGO. Bien ahora, La tensión de trabajo en un capacitor depende del tipo de material dieléctrico que se utilice y su espesor.

¿Qué es el voltaje directo en un capacitor?

Bien se conoce como voltaje de trabajo de corriente continua (CC) en un condensador, al voltaje de CC máximo que se le puede aplicar a un condensador.

Y aunque esta señalado en directa se debe tener cuidado cuando se somete a corriente alterna (CA), ya que, aunque no tiene que ver directamente con el voltaje de corriente alterna máxima, si tiene que ver con su valor RMS.

Tipos de capacitores en electrónica

Existen varios tipos de condensadores en la actualidad y, aunque, todos siguen el mismo principio, cada uno cuenta con características que hacen que algunos sirvan para ciertas aplicaciones o regiones. Por ejemplo, podemos encontrar mini capacitores usados en circuitos resonantes y, por otra parte, condensadores de corrección de factor de potencia que suelen ser de dimensiones grandes, pero, como te mencione anteriormente, todos siguen el mismo principio que es almacenar carga eléctrica.

Partes de un capacitor: placas y dieléctricos

En su forma más básica, un capacitor consta de dos o más placas conductoras (de materiales metálicos) paralelas que no están conectadas propiamente entre si, es decir no se tocan, por lo que, estas placas están separadas eléctricamente por aire o por alguna otro material que tenga buenas propiedades como material aislante, a este material se le conoce también como dieléctrico, por ejemplo, y que seguramente si estas estudiando tu maestro te hará hacer un capacitor con dieléctrico de papel encerado, mica, cerámica, porcelana, plástico incluso algunos geles o líquidos que son de lo que están hechos los condensadores electrolíticos. Y como te acabo de mencionar.

Esta capa aislante que se encuentra entre las dos capas o placas del capacitor es conocido como dieléctrico

• Condensador de aire: estos condensadores son generalmente placas paralelas y dieléctrico de aire, con un encapsulado de vidrio.
  • Su permitividad relativa es 1, por lo que poseen valores de capacitancia muy pequeños.
  • Se utiliza en radares y radares porque no tienen pérdida dieléctrica ni polarización y, por lo tanto, funcionan bien a altas frecuencias.
• Condensadores de mica: la mica tiene muchas características que la hacen adecuada para los dieléctricos de condensadores: baja pérdida, escamas, resistencia a altas temperaturas y sin degradación debido a la oxidación o la humedad.
  • Se aplica aluminio a un lado de la hoja de mica para formar una armadura.
  • Se aplica varias de estas placas y se soldán los extremos a cada terminal uno a la vez.
  • Estos capacitores funcionan bien a altas frecuencias y pueden manejar altos voltajes, pero son costosos y están siendo reemplazados gradualmente por otros tipos de capacitores.
• Condensadores de papel: el dieléctrico es un papel encerado que reduce la absorción de humedad y aumenta el aislamiento después de un tratamiento alcalino u otros tratamientos, se doblan dos tiras de papel juntas y enróllalas en espiral, una de aluminio y las otras dos de papel.
  • La tira de aluminio consta de dos armaduras que están conectadas a dos terminales.
  • Utilizan dos tiras de papel para evitar posibles agujeros.
• Condensador autorreparable: los condensadores de papel se utilizan en entornos industriales.
  • Los condensadores autorreparables son condensadores de papel, pero la armadura se fabrica aplicando aluminio al papel.
  • Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se romperá en un punto determinado, creando un cortocircuito entre las varillas de acero, pero este cortocircuito provocará una alta densidad de corriente a través de las varillas de acero de la zona de ruptura.
  • Esta corriente derrite la fina capa de aluminio que rodea el cortocircuito, restaurando así el aislamiento entre las armaduras.
• Capacitor electrolítico: se trata de un condensador en el que se utiliza un electrolito como dieléctrico, el cual sirve como cátodo.
  • Con el voltaje correcto, el electrolito deposita una capa aislante (generalmente una capa muy fina de alúmina) en la segunda armadura o depósito (ánodo), lo que da como resultado una capacidad muy alta.
  • No son aptos para corriente alterna.
  • La polarización inversa destruye el óxido, lo que crea un cortocircuito entre el electrolito y la batería, lo que hace que la temperatura aumente, por lo que el condensador se quemará o explotará en consecuencia.
  • Según la segunda armadura y el electrolito utilizado, existen varios tipos:
    • Condensadores de aluminio.
    • Condensadores de tantalio (tantalio).
    • Condensador bipolar (CA).
• Condensadores de poliéster o película de poliéster: consiste en una película de poliéster recubierta de aluminio para formar una armadura:
  • Estas hojas se doblan y se unen por los extremos.
  • Asimismo, existen condensadores de policarbonato y polipropileno.
• Los condensadores de poliestireno: también se conocen comúnmente como Styroflex (marca registrada de Siemens), condensador de plástico comúnmente utilizado en radios tiene un coeficiente de temperatura opuesto al de la bobina de sintonización, lo que asegura la estabilidad del circuito resonante.
• condensador cerámico: se utilizan varios tipos de cerámica para formar el dieléctrico.
  • Hay muchos tipos formados por una hoja dieléctrica, pero también hay tipos formados por hojas apiladas una encima de la otra.
  • Dependiendo del tipo, pueden funcionar a diferentes frecuencias, incluso microondas.
• Condensador síncrono: es un motor síncrono que se comporta prácticamente como un capacitor.
• Dieléctrico variable: un condensador de este tipo tiene una armadura móvil que gira alrededor de un eje para que pueda insertarse más o menos en el otro eje.
  • El perfil de la válvula suele ser tal que el cambio de capacitancia es proporcional al logaritmo del ángulo de rotación del eje.
  • Capacitor ajustable: este es un tipo especial de condensador variable, las armaduras son semicirculares, una de las cuales puede girar alrededor del centro, cambiando así la capacidad de carga. Otro tipo es apretar el ancla para acercar las placas.

Formas comunes de las placas en un capacitor

Las placas metálicas conductoras de un condensador pueden ser:

• Cuadradas
• Circulares
• Rectangulares
• Cilíndrica
• Esférica

El tamaño y la construcción de un condensador de placa paralela va a depender de para que lo vamos a usar, es decir, lo vamos a utilizar a altas frecuencias, vamos a manejar mucha potencia, en fin, existen un montón de factores que influyen en la construcción de un condensador.

El condensador de placa paralela es la forma más simple y común de un capacitor. Se puede construir utilizando 2 placas de lámina metálica, o bien, laminas metalizada a una distancia paralela entre sí (es decir, estas placas jamás deben entrar en contacto), con su valor de capacitancia en Faradios, que se fija por el área de superficie de las placas conductoras y la distancia de separación entre ellas

Ahora es importante que alterar o modificar cualquiera de estas dos variables alterará el valor de la capacitancia, lo cual tiene también muchas aplicaciones cuando hablamos de capacitores variables.

Carga y descarga en un capacitor

A este flujo de electrones sobre las placas se le conoce como corriente de carga de los condensadores y fluye hasta que el voltaje en las terminales es igual al voltaje aplicado. Cuando esto sucede se dice que el capacitor esta cargado en su totalidad.

La fuerza o bien velocidad de esta corriente de carga está en su valor máximo cuando las placas están completamente descargadas lo cual es su condición inicial y se reduce lentamente a cero a medida que las placas se van cargando hasta tener una diferencia de potencial entre las placas del condensador igual al voltaje de la fuente.

La diferencia de potencial presente a través del condensador depende de la cantidad de carga depositada entre las placas causado por el trabajo realizado del voltaje aplicado proveniente de la fuente y asimismo por la capacidad que tiene el condensador.

• Tengo un post dedicado a la carga y descarga de los capacitores que te dejo aquí

Factores que pueden dañar un capacitor

Sin duda como vimos anterior mente el voltaje de trabajo máximo es muy importante y por ende es uno de los principales factores que pueden dañar nuestros capacitores.

Por ejemplo, supongamos que tenemos un capacitor con:

• Un voltaje de trabajo máximo de 100 volts
• Y tenemos un corriente alterna de 100 volts máximo

El capacitor no se dañara por esos 100 volts si no por el valor RMS que se calcular como la raíz cuadrada por el valor máximo o sea

( √ 2 )(100) = 141.42

• Por lo tanto

141.42 > 100 (WV)

• Con esto el capacitor se dañara

No obstante, si queremos trabajar con una tensión de aproximadamente 100 v debemos tener un capacitor de al menos 200 v de trabajo máximo, como puedes ver hay mas de 50 volts que dejamos de rango entre el calculado y el que vamos a utilizar, esto es importante ya que puede haber picos o transitorios que superen los 150 volts y dañen el capacitor, espero haberme explicado.

Otro factor que afecta el funcionamiento de un condensador es la fuga dieléctrica, la fuga dieléctrica ocurre cuando en un capacitor circula una corriente no deseada a través del material dieléctrico, en general, se supone que la resistencia del dieléctrico es bastante alta y funciona como un buen aislante que bloquea el flujo de corriente continua a través del condensador tal como lo haría una placa ideal.

No obstante, si el material dieléctrico se daña debido a un voltaje excesivo o a una temperatura excesiva, la corriente de fuga a través del dieléctrico se volverá muy alta, provocando una pérdida de carga en las placas muy rápida y un sobrecalentamiento del condensador que que puede llegar a provocar una falla prematura del condensador, y en casos extremos donde el voltaje es alto, podría llegar a explotar.

Aspectos mas importantes de un capacitor que no debes olvidar

Prácticamente estamos terminando este resumen y como resumen hagamos un lista de los aspectos mas importantes que hemos revisado

• La principal funcionalidad de un capacitor es almacenar carga eléctrica
• La cantidad de carga eléctrica que un condensador puede almacenar es la capacitancia y depende de:
  • El área de la superficie de las placas que conforman el condensador, cuanto mayor es el área, mayor es la capacitancia.
  • La distancia entre las dos placas, cuanto menor es la distancia, mayor es la capacitancia.
  • El tipo de material que separa las dos placas llamado dieléctrico, cuanto mayor es la permitividad del dieléctrico, mayor es la capacitancia.
• Las placas en un capacitor son paralelas y nunca deben entrar en contacto.
• Las placas están separadas por un material llamado dieléctrico.
• El dieléctrico de un condensador puede ser de aire, e incluso, vacío, pero generalmente y por norma general es un material aislante no conductor, como papel encerado, vidrio, mica, diversos tipos de plásticos, etc.
• El dieléctrico ofrece ciertas ventajas que son precisamente por lo que se usan en su fabricación:
  • La constante dieléctrica es propiedad del material dieléctrico y varía de un material a otro aumentando la capacitancia en un factor de k.
  • El dieléctrico proporciona soporte mecánico entre las dos placas dejando que las placas estén más juntas sin tocarse.
  • La permitividad del dieléctrico aumenta la capacitancia de igual manera.
  • El dieléctrico aumenta el voltaje de funcionamiento máximo en comparación con el aire.
• Los condensadores se pueden usar en muchas aplicaciones y circuitos diferentes, por ejemplo:
  • Sirve como el bloqueador de la corriente continua al pasar señales de audio
  • Suavizar el riso en algunas fuentes de alimentación reguladas
  • Para ajustar la respuesta en frecuencia de un circuito de audio
  • Para acoplar etapas separadas del amplificador que deben protegerse de la transmisión de corriente continua.
• Una de las características mas importantes que no debes olvidar es que un capacitor en CC tiene impedancia infinita lo que se ve como un circuito abierto
• A frecuencias altas un condensador tiene impedancia cero o corto circuito.
• Todos los condensadores tienen una clasificación de voltaje de trabajo máxima, por lo tanto}, selecciona un condensador con una nivel de voltaje de trabajo al menos un 50 por ciento más que la tensión de alimentación.

Circuitos con capacitores

• Y ahora que sabes todo esto por que no practicas un momento y miras este post donde te explico todo sobre los capacitores conectados en serie y paralelo.

Aplicaciones de un capacitor

Los capacitores tienen diversas aplicaciones en la electrónica y otros campos, entre ellas se incluyen:

Filtros

• Los capacitores se utilizan en circuitos de filtro para bloquear señales no deseadas y dejar pasar las señales de interés.

Almacenamiento de energía

• Los capacitores se utilizan para almacenar energía eléctrica en circuitos de temporización y sistemas de alimentación de emergencia.

Corrección del factor de potencia

• Los capacitores se utilizan en sistemas eléctricos para mejorar el factor de potencia y aumentar la eficiencia energética.

Acoplamiento de señales

• Los capacitores se utilizan para acoplar señales entre diferentes etapas de un circuito amplificador.

Protección contra sobretensiones

• Los capacitores se utilizan en circuitos de protección contra sobretensiones para absorber y disipar la energía de los picos de voltaje.

En cuanto a los capacitores de lavadora, su aplicación principal es en el sistema eléctrico de la lavadora para la regulación y almacenamiento de energía en el motor y otros componentes eléctricos.