Capacitores Variables, tipos y funcionamiento, más 1 experimento

Me da muchísimo gusto saludarte y tener por aquí nuevamente. Hoy vamos a seguir conociendo un poco más de los condensadores, ya que te hablaré un poco de los Capacitores Variables, un tema que por su importancia en el mundo de la tecnología es demasiado extenso.

Como es costumbre te enseñaré desde lo más básico hasta experimentos prácticos. El objetivo es que al final de esta lección manejes a la perfección los capacitores variables, sepas cuantos tipos existen e incluso sepas como realizar uno.

Tabla de contenido

¿Qué son los Capacitores variables?

Al igual que existen las resistencias variables y tienen muchas aplicaciones, existen también los capacitores variables (o condensadores variables). Estos componentes son un tipo de capacitor el cual tiene la propiedad de poderse modificar su capacitancia, llegando a ser muy eficiente para aplicaciones donde se requiere una capacidad específica y detallada.

Esta modificación es completamente controlada, y puede realizarse de forma electrónica o mecánica; estos dos tipos de capacitores los veremos más delante de forma más profunda, no comas ansias, que llegaremos muy rápido.

¿Cómo realiza el ajuste de la capacitancia?

Pues, de forma resumida, estos capacitores constan de un mecanismo, con el cual, podemos ajustar la capacidad del condensador, principalmente, a estos tipos de condensadores se les llama trimmers.

Existen otros capacitores, llamados condensadores de sincronización, donde la capacidad variable solo es seleccionable dentro de un límite, el cual suele ser grande. Ahora que ya conoces que son los capacitores variables, es hora de que veamos un poco de historia y su simbología. ¡Vamos!

Origen y Símbolo del capacitor variable

A continuación, te muestro el símbolo que representa a este capacitor; este símbolo lo podrás encontrar en diversos diagramas electrónicos. El capacitor variable tiene sus orígenes en Alemania, fue inventado por el ingeniero húngaro Dezko Korda y recibió la patente de invención en 1893. No obstante, el principio de funcionamiento sigue siendo igual al de un capacitor, el cual tiene sus orígenes en la botella de Leyden, creada en 1745, por Pieter Van Musschenbroek.

Símbolo del capacitor variable

Principio de funcionamiento del Capacitor Variable

El principio de funcionamiento del capacitor variable está constituido por:

  • La forma de cómo puede variarse la capacitancia del condensador.
  • Y un fundamento matemático, que explique tal acción.

¿Cómo puede cambiarse la capacitancia en un condensador variable?

Como te mencioné anteriormente, existen dos formas de realizar esto:

  • Electrónicamente
  • Y mecánicamente

Por supuesto, cada forma de variar dicha magnitud tiene distintos modelos de capacitores, donde esta magnitud puede ser ajustada ya sea por valores seleccionables, o establecer la capacidad dentro de un rango amplio. Veamos primero de que tratan los capacitores variables mecánicos y posteriormente exploraremos los capacitores variables electrónicos.

Condensadores variables mecánicamente

El principio de funcionamiento de este tipo de capacitor, se basa en sus placas, ya que la distancia que hay entre ellas puede ser cambiada. La estructura más común que pueden encontrar dentro de estos capacitores, está constituida por un grupo de láminas semicirculares de metal en un rotor (o quizá lo conozcas mejor como “eje rotatorio”), esta configuración se encuentra en los huecos de otro grupo de láminas estacionarias o también llamado estator. A continuación, te muestro una ilustración para que entiendas mejor esta estructura:

Capacitor variable mecánico

Al hablar del material aislante o dieléctrico en estos capacitores, puedes encontrar el aire o una serie de láminas de plástico.

Los tipos mecánicos pueden crear distintas funciones de capacitancia según el ángulo y la forma de las placas rotatorias; esta propiedad se usa principalmente en aplicaciones que requieren una escala de frecuencia lineal.

Construcción de capacitores variables mecánicamente

Este tipo de condensadores están construidos a partir de aluminio capeado y láminas de plástico que se ajustan en conjunto utilizando un tornillo; esta construcción es la más económica, pero no son capaces de proporcionar una capacidad reproducible ni estable.

Hay otra variante de esta estructura, la cual tiene la propiedad de modificar el área de solapamiento entre placas gracias a un movimiento lineal de un grupo de placas; esta construcción tiene una alta ventaja práctica, ya que puede ser construido de manera improvisada o casera.

Finalmente, existen otros condensadores variables mecánicamente llamados “condensadores de ajuste de aire”, los cuales son construirse a través de aire y plástico, además de que puede utilizarse un dieléctrico cerámico.

Tipos de capacitores variables mecánicamente

Existen cuatro tipos de capacitores variables mecánicos, los cuales son:

  • Múltiples.
  • Mariposa.
  • Estator fraccionado.
  • Diferencial.

Condensador múltiple

Este tipo de condensador variable mecánicamente también es llamado como condensador variable de secciones múltiples. Se dice que se le llama así, ya que, en este capacitor se fijan las múltiples secciones del estator y del rotor en un mismo eje, permitiendo que varios circuitos dedicados a la sintonización se puedan controlar a través de un mismo mecanismo de control. Esto permite un mejor manejo de la capacitancia, este control puede ser un filtro de entrada o un preselector.

Los capacitores de sección múltiple se utilizan a menudo para filtros y osciladores AM y FM, en dichos filtros, las secciones pueden tener la misma capacitancia o pueden diferir de ella, como normalmente es en la práctica. Al utilizar estos condensadores, usualmente vienen acompañados de condensadores de ajuste de aire que están en paralelo con las secciones, con el fin de regular a una misma frecuencia los circuitos de sintonización.

Mariposa

Este tipo de condensador variable se caracteriza por tener enfrentadas dos conjuntos de placas de estator, además, de un rotor que tiene forma de mariposa, que, gracias a su posición, al girar varían por igual las capacidades entre el estator y el rotor.

En estos condensadores los estatores y cada mitad de rotor solo pueden llegar a cubrir un ángulo máximo de 90°, debido a que debe existir una posición sin solapamiento entre el estator y el rotor, que corresponde a la capacidad mínima.

Los condensadores de mariposa se utilizan a menudo en circuitos de sintonización simétricos, como en amplificadores RF de potencia, sintonizadores de antena simétricos y osciladores RF.

Condensador de estator fraccionado

En estos condensadores el estator se encuentra fraccionado y estrechamente relacionado, no tiene limitación respecto al ángulo de 90° debido a que está compuesto por dos paquetes de electrodos separados de rotor. Este tipo de condensadores se beneficia de electrodos más grandes, comparado con el condensador de mariposa; además, presenta una ventaja frente a otros capacitores variables mecánicamente, ya que tiene un ángulo de rotación de 180°, pero la separación de las placas del rotor puede provocar pérdidas a la hora de funcionar.

Diferencial

Por último, los condensadores variables diferenciales, al igual que los condensadores de mariposa, tienen dos estatores independientes, no obstante, en este capacitor la capacitancia de una de las caras aumenta mientras la otra disminuye, haciendo que la capacitancia estator a estator sea más estable. Esta propiedad inherente hace que estos capacitores sean ideales para aquellos circuitos que tengan aplicaciones potenciométricas.

Condensadores variables electrónicamente

El cambio de la capacidad de manera electrónica en los condensadores variables se logra gracias al grosor de la capa reductora de un diodo semiconductor, el cual debe encontrarse inversamente polarizado con el voltaje de corriente directa (CD) que se le suministre.

Es cierto que muchos diodos muestran este efecto, independiente del tipo de unión que tenga, no obstante, ya se pueden encontrar diodos especiales para esto, llamados veractores, los cuales son simples diodos de capacidad variable.

El uso de los varactores tiene ciertas propiedades que significan una ventaja, como el hecho de que estén diseñados con una amplia área de unión y un perfil de dopaje especializado para entregar una mayor capacidad. El uso de este tipo de dispositivos en bajas amplitudes de señal se encuentra limitado, ya que podría presentar distorsiones y la capacidad estaría comprometida por los cambios de voltaje en dicha señal.

Los diodos de capacidad tienen una fuerte aplicación en los osciladores, ya que son ideales para modular la frecuencia; además, tiene un protagonismo muy grande en sintetizadores de frecuencia PLL, los cuales están presentes en equipos de telecomunicaciones y sistemas de control electrónico industrial; en este último, los varactores ayudan a modificar parámetros de trabajo.

Como puedes ya darte cuenta, estos últimos tiene una fuerte presencia en aquellos sistemas que requiere un dominio más específico sobre la capacidad de un condensador para llegar a completar tareas determinadas.

¿Cómo se calcula la capacitancia en capacitores variables?

Para calcular la capacidad en un condensador variable, se utiliza la siguiente expresión:

Formula de la capacitancia para condensadores variables

Donde:

  • ε es 8.854 x 10 -12 xK (K es la constante del dieléctrico, la cual para el aire es 1)
  • A es la superficie de una placa (en m2 )
  • d es la distancia de separación entre placas en metros
  • n es el número de placas que tiene el capacitor.

Naturalmente, el área (A) se calcula multiplicando lado por lado de la placa (axb), sin embargo, si se trata de una placa semicircuferencial (como la mayoría de las veces es) el área se calcula de la siguiente manera:

Formula para calcular el área de las placas de un capacitor

Parámetros y características de un capacitor variable

Dentro de los capacitores variables, hay ciertas características que son imprescindibles para que un capacitor de este estilo funcione; además, gracia a estas características te será más comprensible los principios de funcionamiento que ya viste previamente. Veamos de que tratan estos parámetros.

  • Como primer parámetro que define a este tipo de capacitor, es su constante de tiempo de control para el sistema de placas móviles; esto no es más que el momento en el que la placa hace su transición de un extremo a otro.
  • Como segundo parámetro, está la ley de cambio de capacitancia, la cual establece la naturaleza del cambio de capacidad del condensador dependiendo del ángulo del rotor o del movimiento lineal de las placas del capacitor.
  • La estabilidad de temperatura en estos condensadores es muy importante; sin embargo, depende directamente del diseño del capacitor y que tipo de dieléctrico maneja. Generalmente, el coeficiente de frecuencia de temperatura (TFC) se mantiene positivo.
  • Factor de calidad, el factor de calidad se establece por las pérdidas en las partes metálicas de los electrodos, y en las pérdidas en los elementos aislantes en la armadura del capacitor, estas pérdidas pueden efectuarse a frecuencias de 200 a 400 MHz.
  • Tamaño: los capacitores variables son usados generalmente en equipos pequeños, y dependiendo de un rango especifico de capacitancia, se puede reducir o aumentar la distancia entre las placas y la constante dieléctrica, lo que provocaría un aumento o una disminución en las dimensiones del condensador.

¿Cómo hacer un condensador variable simple?

Ha llegado la hora de hacer algo practico, y que mejor práctica que realizar tu propio condensador variable para que veas por ti mismo el fenómeno que este dispositivo representa. Esta pequeña práctica, como es costumbre, irá paso a paso, para que lo comprendas mejor y se te sea más fácil realizarlo. ¡Vamos allá!

☢️ NOTA: Recuerda que este blog esta orientado a la teoría y no es una clase de laboratorio, si deseas realizar tu propio capacitor, por favor, pide ayuda a una persona experimentada en la materia, para evitar cualquier accidente.

Materiales a utilizar

Para realizar este condensador variable simple casero, requieres lo siguiente:

  • Papel de aluminio.
  • Un rollo de cartón, puedes utilizar el rollo de cartón que viene adjunto al papel de baño o servitoallas.
  • 2 trozos de cable de hilos de 8 cm.
  • Tijeras.
  • Cinta adhesiva.
  • Una hoja de papel.

Pasos del experimento:

  1. Corta un trozo de papel aluminio del tamaño del rollo de cartón con ayuda de las tijeras.
  2. Corta en dos el trozo de papel aluminio previamente cortado. Procura que ambos cachos estén del mismo tamaño.
  3. Recorta en forma de zig-zag el extremo de uno de los dos trozos de papel aluminio.
  4. Pega el trozo de papel aluminio no recortado en un extremo del rollo de cartón con ayuda de la cinta adhesiva.
  5. Ya pegado el trozo de papel, Toma un trozo de cable, abre los hilos en forma de abanico y pégalo sobre el papel aluminio con ayuda de la cinta adhesiva. Procura que este en contacto con el papel.
  6. Recorta un trozo de papel de la misma medida que los otros dos trozos de papel aluminio, envuelve el extremo libre del rollo de cartón con dicho trozo de papel y pega los extremos, de tal forma que el papel pueda bajar y subir en cada extremo del rollo de cartón.
  7. Sobre el papel, pega el ultimo trozo de papel aluminio (el que recortaste en zig-zag) con cinta adhesiva.
  8. Al igual que el paso cinco, pega un trozo de cable en ese extremo. Recuerda que los hilos deben estar abiertos y debe estar en contacto con el papel aluminio.
  9. Verifica que el trozo de papel pueda bajar y subir libremente sobre el rollo de cartón.
  10.  Puedes probar este capacitor variable casero con ayuda de una radio de galena con una bobina de onda corta.

Te dejo a continuación el diagrama de una radio de Galena por si te interesa realizarlo.

Diagrama ejemplo radio de Galeana

¡Listo! Ya tienes los pasos suficientes para realizar un capacitor variable. Si no fue suficiente, te adjunto el link del vídeo donde se basó el experimento.

Aplicaciones

Los capacitores variables tienen múltiples aplicaciones, sobre todo cuando se está trabajando con un circuito de voltaje residual (C/L), ya que son ideales para fijar la frecuencia de la resonancia; esta propiedad esta aplicada en la sintonización de radio.

También funcionan de manera ideal como variable de reactancia e igualación de impedancia en receptores de radio y antenas de televisión. En general, los capacitores variables son ideales para aplicaciones dentro de las telecomunicaciones y la electrónica. Así que, si quieres encontrar un ejemplar de estos componentes, destapa un radio, que ahí encontraras habitando a un condensador variable.

¿Qué crees? ¡Hemos terminado!

Debo admitir que ha sido un viaje muy largo, lleno de conceptos teóricos que tiene una complejidad media, pero confío en que aprendiste muchísimo y te ha gustado este tema lleno de cosas nuevas.

El tema de los capacitores es muy extenso, y hoy hemos visto un apartado muy específico sobre estos componentes; los condensadores variables (como ya has visto) forman parte esencial de muchos sistemas que están presentes en nuestra vida diaria, como nuestras televisiones y radios. Es importante que domines al menos teóricamente a estos componentes, ya que te van a permitir una comprensión sobre muchos esquemas electrónicos y nuevas aplicaciones.

Antes de irme, y como es costumbre por aquí, te dejo algunos puntos importantes que vale la pena que recuerdes. ¡Vamos!

  • El capacitor variable es un tipo de capacitor el cual tiene la propiedad que poder variar su capacidad de forma controlada.
  • Fue patentado en 1893, a manos del ingeniero húngaro Dezko Korda.
  • El cambio de capacitancia puede realizarse de dos maneras: mecánica o electrónicamente.
  • Dentro de los capacitores variables mecánicamente, existe una estructura especial en las placas paralelas, las cuales están conformadas por un rotor y un estator; además, existen cuatro tipos de estos condensadores.
  • Los capacitores variables electrónicamente logran la modificación de la capacidad por medio de un diodo especial, llamados varactores.
  • Si gustas probar el capacitor casero que viste más arriba, puede hacerlo por medio de un radio de Galena; dicha prueba puedes observarla en un vídeo, pero recuerda siempre asesorarte por un especialista, maestro o amigo con experiencia, para evitar accidentes.

Y así es como terminamos. Espero de corazón que hayas aprendido mucho y que te quedaras con algo de esta larga lección, y muchas gracias por estar aquí de nuevo.

Eres el/la mejor. ¡Hasta pronto!

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Juan Carlos G - Capacitores .Net

Juan Carlos G.

Electrónica y desarrollo de software


Estudie Electrónica en la UNAM y me encanta hablar y publicar estos temas para ayudar a los demás a comprender ciertos temas que muchas veces son complicados de entender. Espero que este blog, el cual lo he dedicado a hablar de los Capacitores y productos relacionados a este componente, te sea de gran ayuda, amigo o amiga electrónica.

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