La capacitancia, como fenómeno eléctrico, tiene muchísimas aplicaciones en la industria eléctrica y electrónica. Para poder acumular y gobernar a la capacitancia, se inventó el capacitor 0 condensador eléctrico.
El capacitor, también conocido como condensador, es uno de los componentes más utilizados en circuitos eléctricos y electrónicos. Juega un papel crucial en la automatización y los sistemas de control eléctrico, siendo indispensable en tareas como el almacenamiento temporal de energía, el filtrado de señales y la estabilización de circuitos.
¿Qué es un capacitor?
Un capacitor es un dispositivo eléctrico que almacena energía en forma de campo eléctrico. Se compone de dos placas conductoras separadas por un material aislante o dieléctrico. Cuando se aplica una diferencia de potencial (voltaje) entre las placas, se genera un campo eléctrico que permite almacenar energía temporalmente.
La capacidad de almacenamiento de un capacitor se llama capacitancia y se mide en faradios (F), una unidad que indica cuánta carga eléctrica puede almacenar por cada voltio aplicado.
Los capacitores no conducen en corriente continua más que en los momentos de carga y descarga. En corriente alterna o cualquier corriente variable, los capacitores adelantan la corriente en 90 grados eléctricos respecto al voltaje.
¿Cómo funciona un capacitor?
El funcionamiento del capacitor se basa en la acumulación de carga eléctrica en sus placas cuando se aplica una corriente. A medida que la carga se acumula, también lo hace la energía almacenada en el campo eléctrico entre las placas. Una vez que el capacitor está completamente cargado, el flujo de corriente se detiene. Esta energía puede ser liberada posteriormente cuando el circuito lo requiera, proporcionando un impulso de energía rápida y controlada.
La cantidad de carga que un capacitor puede almacenar depende de tres factores:
- Área de las placas conductoras: Cuanto mayor sea el área, mayor será la capacidad de almacenamiento.
- Distancia entre las placas: A menor distancia entre las placas, mayor será la capacitancia.
- Tipo de dieléctrico: Un dieléctrico con una alta constante dieléctrica permitirá almacenar más energía.
¿Para qué sirve un capacitor?
Su función principal es acumular carga eléctrica y luego liberarla de manera controlada, lo que le permite cumplir con diversas funciones dentro de los circuitos eléctricos. A continuación se explica en qué contextos y para qué se usa un capacitor:
Funciones principales de un capacitor
- Almacenamiento de energía:
- Un capacitor puede almacenar energía en forma de campo eléctrico entre sus placas. Este almacenamiento temporal de energía es útil en circuitos que requieren un suministro rápido y breve de energía, por ejemplo, en flashes de cámaras o en sistemas de respaldo de energía.
- Filtrado de señales:
- En aplicaciones electrónicas, los capacitores son esenciales para filtrar el ruido eléctrico o las señales no deseadas. Actúan como filtros, bloqueando las señales de corriente continua (DC) y permitiendo que las señales de corriente alterna (AC) pasen, lo que es crucial en fuentes de alimentación y circuitos de audio.
- Estabilización de voltaje:
- Los capacitores ayudan a estabilizar el voltaje en un circuito al suavizar las fluctuaciones o picos de energía. En fuentes de alimentación, ayudan a mantener el voltaje constante, protegiendo otros componentes electrónicos sensibles.
- Arranque de motores:
- En motores eléctricos, como los de aires acondicionados o lavadoras, se utilizan capacitores de arranque para generar el par necesario para poner en marcha el motor. También hay capacitores de trabajo que aseguran que el motor opere eficientemente.
- En motores de combustión interna, para regular el encendido y tiempo de marcha.
- Compensación del factor de potencia:
- En sistemas eléctricos industriales, los capacitores se utilizan para mejorar el factor de potencia. Ayudan a reducir las pérdidas de energía en las instalaciones eléctricas y aumentan la eficiencia energética, lo que reduce el costo de la electricidad. También para corregir y mejorar el factor de potencia en líneas de distribución y transmisión eléctrica.
- Suministro de energía de respaldo:
- Los capacitores, especialmente los supercapacitores, se emplean en sistemas que requieren un respaldo rápido de energía, como en circuitos de memoria en dispositivos electrónicos que necesitan mantener datos temporales durante un corte de energía breve.
¿Cómo se representa un capacitor?
Los capacitores son representados según sus diseños y tipos como se muestra en la siguiente imagen
Tipos de Capacitores
Por su construcción los capacitores son de tipo:
1. Secos
Los capacitores secos tienen dieléctricos de papel, cerámica, vidrio, mica, aire, etc. son de los no polarizados y trabajan lo mismo con ca y cd.
2. Húmedos
Los capacitores húmedos tienen las mismas características que los secos, excepto que son más capacitivos, debido a que tienen como dieléctrico papel humedecido en aceite.
3. Capacitor Cerámico
Los capacitores cerámicos son uno de los tipos más comunes debido a su bajo costo, alta fiabilidad y pequeño tamaño. Están hechos de materiales cerámicos que actúan como dieléctricos. Estos capacitores tienen una capacitancia relativamente pequeña, que suele ir desde unos pocos picofaradios (pF) hasta varios microfaradios (µF).
Características:
- Dieléctrico: Cerámica.
- Capacitancia: Baja (pF – µF).
- Voltaje de operación: Varía ampliamente, desde 16 V hasta varios miles de voltios.
- Estabilidad: Pueden ser afectados por las variaciones de temperatura y voltaje.
- Tamaño: Pequeños y compactos, ideales para dispositivos electrónicos pequeños.
Aplicaciones:
- Se utilizan principalmente en circuitos de alta frecuencia como filtración de señales y acoplamiento.
- Son ideales para aplicaciones de alta frecuencia debido a sus bajas pérdidas (bajo ESR).
- En sistemas de control eléctrico, son utilizados para filtrar ruidos en señales de sensores o circuitos de alta frecuencia.
Ventajas:
- Bajo costo.
- Alta estabilidad en aplicaciones de alta frecuencia.
- Compactos y disponibles en una amplia gama de valores de capacitancia.
Desventajas:
- Su capacitancia puede cambiar significativamente con la temperatura y el voltaje.
4. Capacitor Electrolítico
Los capacitores electrolíticos son fabricados con recipientes metálicos que actúan como placa negativa y dentro del mismo llevan un líquido conductor llamado electrolito, que junto con un electrodo actúan como placa positiva. Un óxido que se forma entre el recipiente y el electrolito actúa como dieléctrico. Estos capacitores son muy capacitivos y polarizados. No deben conectarse en circuitos de corriente alterna porque se calientan y pueden explotar.
Características:
- Dieléctrico: Óxido de aluminio o tantalio.
- Capacitancia: Alta (µF – mF).
- Polaridad: Son polarizados, por lo que deben conectarse de manera correcta; de lo contrario, pueden dañarse o explotar.
- Voltaje de operación: Rango medio, típicamente de 6.3 V a 450 V.
Aplicaciones:
- Se utilizan en fuentes de alimentación para filtrar y suavizar la corriente DC.
- En sistemas de control eléctrico, se encuentran en circuitos de estabilización de voltaje.
- Ideales para almacenamiento de energía temporal y arranque de motores.
Ventajas:
- Alta capacitancia en un tamaño compacto.
- Excelente para aplicaciones de baja frecuencia y fuentes de alimentación.
Desventajas:
- Son polarizados, lo que significa que no pueden utilizarse en aplicaciones de corriente alterna (AC).
- Tienden a degradarse con el tiempo y su vida útil es más corta en comparación con otros tipos de capacitores.
- Sensibles a temperaturas y voltajes excesivos.
5. Capacitor de Tantalio
Los capacitores de tantalio son una subcategoría de los capacitores electrolíticos, pero utilizan tantalio como material dieléctrico, lo que les da mayor estabilidad y precisión en su capacitancia. Son más caros que los electrolíticos de aluminio pero ofrecen un mejor rendimiento en términos de estabilidad.
Características:
- Dieléctrico: Tantalio.
- Capacitancia: Alta (µF).
- Polaridad: Polarizados, como los electrolíticos.
- Voltaje de operación: Medio, típicamente de 2.5 V a 50 V.
- Estabilidad: Muy buena estabilidad, especialmente en aplicaciones de baja frecuencia.
Aplicaciones:
- Utilizados en circuitos de filtrado y almacenamiento de energía en sistemas de control y automatización.
- Frecuentes en dispositivos donde se necesita una respuesta rápida y confiable, como equipos médicos y dispositivos móviles.
Ventajas:
- Mayor estabilidad y precisión en comparación con los capacitores electrolíticos de aluminio.
- Tamaño pequeño en relación a la capacitancia ofrecida.
Desventajas:
- Más caros que otros tipos de capacitores.
- Si se conectan de manera incorrecta (polarización inversa), pueden fallar catastróficamente.
6. Capacitor de Película (o Film)
Los capacitores de película utilizan una película plástica como dieléctrico. Estos capacitores ofrecen un rendimiento excepcional en términos de estabilidad, bajas pérdidas y precisión. Son especialmente valorados por su resistencia al envejecimiento y su estabilidad a largo plazo.
Características:
- Dieléctrico: Película plástica (polipropileno, poliéster, etc.).
- Capacitancia: Varía de baja a media (pF – µF).
- Voltaje de operación: Pueden manejar altos voltajes, hasta 2 kV o más.
- Estabilidad: Muy estables en términos de capacitancia y temperatura.
Aplicaciones:
- Utilizados en filtros de señal, corrección de factor de potencia, y fuentes de alimentación de alta precisión.
- En aplicaciones industriales y de automatización, se utilizan para estabilizar circuitos y proteger contra sobretensiones.
- Ideales para aplicaciones que requieren alta precisión y estabilidad a largo plazo.
Ventajas:
- Excelente estabilidad en capacitancia.
- Larga vida útil, ya que no tienden a degradarse con el tiempo.
- No son polarizados, lo que los hace útiles tanto en corriente alterna (AC) como en corriente directa (DC).
Desventajas:
- Tamaño más grande en comparación con otros tipos de capacitores con la misma capacitancia.
7. Supercapacitores (o Ultracapacitores)
Los supercapacitores o ultracapacitores son una evolución de los capacitores tradicionales, diseñados para almacenar grandes cantidades de energía. Se sitúan entre los capacitores convencionales y las baterías en cuanto a capacidad de almacenamiento. No almacenan tanta energía como una batería, pero pueden cargarse y descargarse mucho más rápido.
Características:
- Dieléctrico: Electroquímico.
- Capacitancia: Muy alta (F – kF).
- Voltaje de operación: Bajo, típicamente 2.5 V a 5 V por celda.
- Rendimiento: Se cargan y descargan mucho más rápido que las baterías.
Aplicaciones:
- Se utilizan en almacenamiento de energía a corto plazo en aplicaciones de respaldo de energía o sistemas que requieren grandes cantidades de energía de manera rápida.
- En sistemas de control eléctrico, se encuentran en aplicaciones que requieren ciclos de carga rápida y liberación de energía, como vehículos eléctricos y fuentes de energía de respaldo.
Ventajas:
- Alta capacidad de almacenamiento de energía.
- Ciclos de carga y descarga extremadamente rápidos.
Desventajas:
- Baja capacidad de voltaje.
- Caros en comparación con otros tipos de capacitores.
8. Capacitor de Mica
Los capacitores de mica son conocidos por su alta precisión, fiabilidad, y estabilidad. Utilizan láminas de mica como dieléctrico, lo que les da propiedades de muy baja pérdida y alta estabilidad en capacitancia a lo largo del tiempo.
Características:
- Dieléctrico: Mica.
- Capacitancia: Baja (pF – nF).
- Voltaje de operación: Alto, hasta 1,000 V o más.
- Estabilidad: Excelente estabilidad en temperatura y frecuencia.
Aplicaciones:
- Utilizados en aplicaciones de alta precisión, como circuitos resonantes y osciladores de radiofrecuencia.
- En sistemas de control eléctrico, pueden ser útiles en equipos que operan en rangos de alta frecuencia y alta estabilidad.
Ventajas:
- Estabilidad superior en términos de capacitancia y temperatura.
- Muy baja pérdida, ideal para aplicaciones de alta frecuencia.
Desventajas:
- Caros en comparación con otros tipos de capacitores.
- Tienen una capacitancia relativamente baja.
9. Capacitores planos
Los capacitores planos constan de dos láminas conductoras planas llamadas armaduras que están separadas por un dieléctrico.
La capacitancia de un capacitor plano depende del tamaño de sus armaduras, de la distancia que las separa y de la permitividad del dieléctrico que separa a las placas conductoras o armaduras.
Carga y descarga de un capacitor
Considerar el esquema a continuación:
Proceso de carga
Al cerrar el interruptor S, entre 1 y 2, del borne negativo de la fuente fluyen electrones hacia la placa C del lado derecho del capacitor, pasando entre 1 – 2 de S. Estos electrones al llegar a la placa C, rechazan a los electrones de la placa A, quienes se dirigen al borne positivo de la fuente, estableciéndose un flujo de electrones en el circuito, en sentido antihorario.
La placa A al perder electrones queda cargada positivamente. Ver la figura que sigue.
A medida que se va cargando, la corriente va disminuyendo, puesto que los electrones de la placa negativa se oponen a la llegada de más electrones de la fuente. Con cargas de signos contrarios en las placas se crea una diferencia de potencial entre ambas, de modo que cuando esta diferencia de potencial se iguala con la fem de la fuente, en ese momento deja de fluir electrones y la corriente de carga se vuelve cero.
Proceso de descarga
Ver la figura siguiente:
Se abre entre 1-2 de S y se cierra entre 1-3.
Observar que la corriente de descarga es de sentido contrario a la corriente de carga.
La corriente de descarga es máxima al inicio y llega a cero cuando todos los electrones hayan abandonado la placa negativa C.
Problemas comunes en capacitores
A pesar de sus múltiples ventajas, los capacitores también pueden ser propensos a fallos, especialmente en entornos industriales exigentes. Los problemas más comunes incluyen:
- Fugas de corriente: Un capacitor defectuoso puede presentar fugas que afecten el funcionamiento del circuito.
- Cortocircuito: Puede ocurrir si el dieléctrico se daña, lo que genera un fallo completo del capacitor.
- Degradación con el tiempo: Los capacitores, especialmente los electrolíticos, tienden a perder su capacidad con el paso de los años.
Conclusión
El capacitor es un componente indispensable en sistemas eléctricos y de automatización debido a su capacidad para almacenar energía, filtrar señales y mejorar la eficiencia de los circuitos.