En el tutorial anterior, aprendimos sobre el comportamiento de la señal y la función de un capacitor en un circuito. Un condensador almacena carga eléctrica en forma de campo electrostático en respuesta a un voltaje aplicado. Se carga cada vez que aumenta el voltaje aplicado (en relación con el voltaje actual a través del capacitor), permitiendo una corriente de carga hasta que el voltaje a través de él sea igual y opuesto al voltaje aplicado. Se descarga cada vez que el voltaje aplicado disminuye (en relación con el voltaje actual a través del capacitor), permitiendo que una corriente de descarga lo atraviese en la dirección opuesta hasta que el voltaje a través de él sea igual y opuesto al voltaje aplicado. El condensador retiene el voltaje cuando no hay cambios en el voltaje o cuando se deja en circuito abierto. El capacitor permite el paso de corriente solo cuando cambia el voltaje a través de él. Para voltajes de CC constantes, se convierte en un circuito abierto que no permite el paso de la corriente.
Factores que determinan la capacitancia de un capacitor.
Cualquier condensador consta básicamente de dos placas conductoras separadas por un medio dieléctrico. La siguiente ecuación da la capacitancia de un capacitor:
C=ε*A/d
Dónde,
C = Capacitancia del condensador
ε = Permitividad absoluta del medio dieléctrico
A = área de superficie (en metros 2 ) de placas conductoras paralelas entre sí
d = distancia entre las placas conductoras
La capacitancia de un condensador es proporcional a la permitividad absoluta del material dieléctrico utilizado y al área de superficie efectiva de las placas conductoras (el área de superficie de la placa conductora es la menor de las dos). Además, es inversamente proporcional a la distancia entre las placas conductoras. La permitividad absoluta de un medio dieléctrico está relacionada con la permitividad absoluta del espacio libre mediante la siguiente ecuación:
ε = ε 0 * ε R
Dónde,
ε = Permitividad absoluta del material dieléctrico
ε 0 = Permitividad absoluta del espacio libre o vacío
ε R = Permitividad relativa del medio dieléctrico (para espacio libre o vacío)
Construcción práctica de un condensador.
Cualquier capacitor está diseñado para lograr una capacitancia nominal manteniendo el tamaño del capacitor lo más pequeño posible. Por lo tanto, los fabricantes intentan lograr la máxima capacitancia en la construcción. La capacitancia de un capacitor se puede maximizar de las siguientes tres maneras:
1) Utilizando un medio dieléctrico adecuado – La permitividad absoluta del aire seco es aproximadamente igual a la del espacio libre. Si la permitividad absoluta del espacio libre se toma como 1, la del aire seco será 1,0006. Al utilizar un material dieléctrico con mayor permitividad absoluta, la capacitancia de un capacitor se puede aumentar muchas veces. Existe una variedad de materiales que se utilizan como medio dieléctrico en los condensadores. Algunos de los materiales dieléctricos comúnmente utilizados se enumeran en la siguiente tabla con su permitividad relativa (constantes dieléctricas):
Al utilizar un material dieléctrico adecuado, como mica, en lugar de aire seco, la capacitancia se puede aumentar de 5 a 7 veces.
2) Mayor área de superficie: cuanto más paralelas sean las superficies de las placas conductoras entre sí, mayor será la capacitancia. Una forma de aumentar la superficie son los condensadores multiplacas. En un condensador multiplaca, las superficies conductoras están diseñadas como múltiples láminas conductoras conectadas a un conductor común. Las dos disposiciones de láminas conductoras están emparejadas de modo que en uno de los conductores, sólo una superficie de las láminas exteriores permanece en contacto con el medio dieléctrico. En cambio, en el otro conductor, ambas superficies de las láminas exteriores permanecen en contacto con el medio dieléctrico.
Imagen que muestra la construcción de un condensador multiplacas.
En la imagen de arriba se muestra un condensador de nueve placas. Uno de los terminales del condensador anterior tiene cinco placas, mientras que el otro terminal tiene cuatro placas conectadas. El capacitor de arriba tiene ocho veces el área de superficie, por lo tanto ocho veces la capacitancia. La siguiente ecuación da la capacitancia de un capacitor multiplaca:
C = ε * (n-1) *A/d
Donde n es el número de placas del capacitor multiplacas y A es el área de superficie de cada placa.
3) Reducir la distancia entre placas: la capacitancia se puede aumentar minimizando la distancia entre placas. Sin embargo, este aspecto tiene limitaciones prácticas (como la corriente de fuga).
tipos de condensadores
Los condensadores se clasifican según el material dieléctrico utilizado en su construcción. Existe una variedad de materiales dieléctricos utilizados en la construcción de capacitores. Algunos de los tipos comunes de condensadores se encuentran a continuación:
1) papel
2) mica
3) Película plástica
4) Vidrio
5) Cerámica
6) electrolito
7) semiconductores
8) Variables
Condensadores polarizados y no polarizados.
Aunque la mayoría de los capacitores se pueden conectar en un circuito sin considerar la polaridad del voltaje que se les aplica, los capacitores electrolíticos tienen un terminal positivo y un terminal negativo. El electrodo positivo del condensador electrolítico sólo debe conectarse al terminal positivo de una batería (dirección de la corriente que entra al condensador) y el electrodo negativo al terminal negativo de una batería (dirección de la corriente que sale del condensador). Debido a su polaridad fija en cualquier circuito, los condensadores electrolíticos se denominan Condensadores Polarizados . Los otros tipos de condensadores, que no requieren una conexión de polaridad fija, se denominan condensadores no polarizados . Los condensadores polarizados sólo se pueden utilizar en aplicaciones de CC.
Principales indicadores de rendimiento de un condensador.
Al igual que las resistencias u otros componentes electrónicos, los condensadores también tienen varias propiedades eléctricas y algunas características no ideales. Estas propiedades y características pueden ser una consideración importante al seleccionar el capacitor para un circuito. Lo mismo puede considerarse un indicador clave del rendimiento de un condensador. Los KPI asociados con los condensadores son los siguientes:
1) Capacitancia nominal : la capacitancia nominal de un capacitor es la capacitancia que debe ofrecer un capacitor. Esta es la propiedad más importante de un condensador y está marcada en su cuerpo junto con el voltaje de trabajo. La capacitancia real proporcionada por el capacitor puede no ser la misma que la capacitancia nominal, ya que la capacitancia cambia con la frecuencia de la señal aplicada y la temperatura ambiente. La capacitancia nominal de los capacitores estándar se expresa en microfaradios (10 -6 F), nanofaradios (10 -9 F) y picofaradio (10 -12 F).
2) Voltaje de trabajo : el voltaje de trabajo, o voltaje de trabajo de CC, es el voltaje continuo máximo que un capacitor puede operar sin romperse ni dañarse. Generalmente es la clasificación de voltaje de CC marcada en el cuerpo de un capacitor junto con su capacitancia nominal. Las señales de CA generalmente son niveles de voltaje RMS especificados. El nivel de voltaje máximo de cualquier señal de CA es 1,414 veces el voltaje RMS. Por lo tanto, cuando se utiliza un condensador en un circuito de CA, su voltaje de funcionamiento es comparable al voltaje máximo de la señal de CA y no al voltaje RMS. Siempre es seguro seleccionar un condensador con un voltaje de trabajo al menos 1,5 veces o dos veces el voltaje especificado para un circuito determinado. Los voltajes de trabajo más comunes para los condensadores estándar son 6,3 V, 10 V, 16 V, 25 V, 30 V, 35 V, 40 V, 50 V, 63 V, 100 V, 160 V, 200 V, 250 V, 400 V, 450 V, 500 V y 1000 V.
3 ) Voltaje de formación : el voltaje de formación o voltaje de prueba es el voltaje máximo que el capacitor puede soportar. Se puede encontrar en la ficha técnica del condensador proporcionada por el fabricante. Rara vez se debe exponer un capacitor a su voltaje de prueba.
4) Tolerancia – La tolerancia indica la variación en la capacitancia real de un capacitor en relación con su capacitancia nominal. Normalmente, los condensadores tienen una capacitancia del 10% o 5%. Algunos condensadores pueden tener una tolerancia tan baja como el 1%. Las tolerancias de los condensadores pueden variar entre el 20 % y el 80 % según la aplicación prevista. La tolerancia del condensador se expresa como un valor más o menos en picofaradio para condensadores de bajo valor. Por el contrario, se expresa como un cambio porcentual en la capacitancia para capacitores de alto valor.
5) Corriente de fuga : la corriente de fuga es una pequeña cantidad de corriente que se escapa a través del medio dieléctrico del condensador debido al fuerte campo electrostático en sus placas. La corriente de fuga generalmente está en nanoamperios. Está relacionado con la constante dieléctrica (permisividad relativa) del medio dieléctrico utilizado en el condensador. Cuanto menor sea la constante dieléctrica, mayor será la corriente de fuga.
La corriente de fuga cuenta para el factor de disipación de un condensador. Generalmente, la corriente de fuga es muy baja, a menudo indicada como aislamiento o resistencia de fuga en las hojas de datos. Se modela como una resistencia paralela que pierde corriente a través del capacitor puro. En los condensadores electrolíticos, la corriente de fuga es bastante importante y suele indicarse explícitamente en sus hojas de datos como "corriente de fuga".
La corriente de fuga es un indicador importante cuando se debe utilizar un condensador para acoplar circuitos o almacenar carga. Un condensador que se va a utilizar para acoplamiento o almacenamiento de carga debe tener una corriente de fuga mínima. La corriente de fuga, por pequeña que sea, siempre es suficiente para descargar completamente el condensador con el tiempo, sin aplicar tensión.
6) Polarización – Siempre es importante observar la polarización en el caso de los condensadores electrolíticos. El terminal positivo de un condensador polarizado siempre debe estar conectado a una conexión positiva y un terminal negativo a una conexión negativa. El terminal negativo de los condensadores polarizados generalmente se indica mediante una franja, franja o flechas negras en un lado del capacitor. Conectar un capacitor electrolítico con polaridad inversa generará un voltaje inverso, lo que resultará en una gran corriente de ruptura que puede dañar permanentemente el capacitor.
7) voltaje inverso : el voltaje inverso es un indicador asociado con los condensadores polarizados. Es el voltaje máximo (o la suma de todos los voltajes de ondulación máximos de CC y CA) en polaridad inversa que puede soportar el capacitor polarizado. Cualquier voltaje en polaridad inversa que no sea el "voltaje inverso" del condensador polarizado puede dañarlo permanentemente.
8) Corriente de rizado : la corriente de rizado es el valor RMS máximo de corriente alterna que el condensador puede soportar. Generalmente está indicado para una frecuencia de 120 Hz y una temperatura de 85°C hasta que se especifique lo contrario. La corriente de rizado a través de un condensador aumenta al aumentar la frecuencia y disminuir la temperatura ambiente.
9) Clasificación de temperatura : los condensadores generalmente tienen un rango de temperatura de trabajo entre -55 °C y 125 °C. El rango de temperatura de funcionamiento depende específicamente del tipo de condensador. De manera similar, los capacitores de plástico tienen un rango de temperatura baja de -30 °C a 70 °C, y los capacitores electrolíticos tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C/-55 °C a 85 °C. Los cambios de temperatura afectan la capacitancia real del capacitor, provocan ondulaciones de corriente a través de él y pueden estresar el capacitor, planteando desafíos ambientales. Por ejemplo, a temperaturas tan bajas como -10°C, la gelatina electrolítica de los condensadores electrolíticos comienza a congelarse. De manera similar, otros medios dieléctricos también experimentan estrés debido a cambios en la temperatura ambiente.
10) Coeficiente de temperatura : al igual que las resistencias, los condensadores tienen coeficientes de temperatura positivos o negativos. El coeficiente de temperatura de los condensadores se expresa en partes por millón (PPM) por grado centígrado. El coeficiente de temperatura positivo generalmente se expresa con la letra P seguida de una clasificación en PPM/°C, ya que P100 indica un coeficiente de temperatura positivo igual a 100 PPM/°C. Asimismo, el coeficiente de temperatura negativo se indica con la letra 'N' seguida de una clasificación en PPM/°C. Los condensadores pueden tener un coeficiente de temperatura cero para un rango de temperaturas, lo que se indica mediante un coeficiente de temperatura expresado con las letras 'NPO'.
En algunos circuitos, donde debe haber una tolerancia mínima para la capacitancia, se pueden conectar capacitores con coeficientes de temperatura negativos y positivos en serie o en paralelo para cancelar los efectos de la temperatura sobre la capacitancia. También se pueden conectar condensadores de coeficiente de temperatura positivo y negativo para anular el efecto de la temperatura en otros componentes de un circuito, como resistencias e inductores. Al conectar condensadores con coeficientes de temperatura positivos y negativos para cancelar los efectos de la temperatura, se deben realizar cálculos cuidadosos para determinar la capacitancia efectiva en un rango de temperaturas.
11) Resistencia en serie equivalente (ESR) : la resistencia en serie equivalente (ESR) de un capacitor es la resistencia interna del capacitor debido a la resistencia CC de las placas, la resistencia efectiva del medio dieléctrico y la resistencia en el contacto del dieléctrico y las placas conductoras. Esta es la resistencia pura que ofrece el condensador, que provoca la pérdida de energía al calentar el condensador durante la carga y descarga del condensador mediante una señal de CA. La ESR de un capacitor se modela como una resistencia conectada en serie a la capacitancia pura. La ESR, al igual que la capacitancia, depende de la frecuencia y sirve como una resistencia dinámica en serie del capacitor.
La ESR se cuenta entre las pérdidas operativas del condensador. Es un indicador importante porque determina la pérdida de energía eléctrica en el caso de condensadores de acoplamiento y la atenuación máxima en el caso de condensadores de bypass y filtro. Cuanto mayor sea la ESR, mayor será la constante RC (tiempo necesario para cargar o descargar) del condensador, ya que un condensador con una ESR más alta ofrecerá más resistencia a la corriente de carga o descarga.
12) Absorción dieléctrica : la absorción dieléctrica se refiere al voltaje residual que queda en los terminales del capacitor después de una descarga completa. Generalmente, este voltaje no es significativo, pero puede ser una preocupación seria en el caso de los capacitores de muestreo utilizados en circuitos convertidores de analógico a digital.
13) Autoinductancia : la autoinductancia es la inductancia inducida en un condensador a altas frecuencias. Esta inductancia puede influir en la impedancia del condensador a altas frecuencias y puede determinar qué corrientes de alta frecuencia podrá evitar el condensador. La ESR, el factor de disipación, la absorción dieléctrica y la autoinductancia se cuentan entre las pérdidas operativas de un condensador.
Los condensadores deben manipularse con cuidado. Los condensadores de alto valor (capacitancia superior a 0,01 uF) utilizados en circuitos de alto voltaje pueden tener un voltaje residual o no descargado que puede causar una descarga de CC en el contacto. Por lo tanto, un condensador de alto valor debe descargarse cortocircuitando sus terminales con un destornillador mientras se solucionan problemas en dichos circuitos. En el próximo artículo hablaremos de los diferentes tipos de condensadores y sus especificaciones técnicas.