El món de l'electrònica ha estat el trampolí que necessitava la tecnologia per fomentar. I aquest trampolí està constituït de petites parts com el condensador. En aquest curiós post coneixeràs detalladament Què és un condensador elèctric ?, les diferents funcions que s'apliquen amb ell i la seva gran importància en diferents àrees.
el condensador
Per donar inici a l'estudi de l'condensador explicarem en primer lloc què és un condensador. Es tracta de component elèctric passiu, és a dir que no genera electricitat pel seu compte, capaç d'emmagatzemar una càrrega elèctrica, i alliberar-la posteriorment. Se li pot trobar com condensador o capacitor. La càrrega que manté en el seu interior és un diferencial de potencial o voltatge.
La història de l'comte donador sorgeix l'any 1745 quan l'Alemany Ewald Georg von Kleist de adonar que era possible l'emmagatzematge d'una càrrega elèctrica. Això va sorgir producte d'un accident quan va connectar un generador electrostàtic a un volum d'aigua que estava dins d'una gerra o ampolla de vidre mitjançant un cable. Quan retirava el cable i va posar la seva mà.
No va passar un any quan el físic holandès Pieter van Musschenbroek va inventar un condensador amb les mateixes característiques. En commemoració a la universitat en la qual treballava va cridar a aquest condensador «l'ampolla de Leyden».
Com funciona un condensador?
Ara, vegem com funciona un condensador y per a què serveix un condensador. La manera en què aconsegueix emmagatzemar la càrrega elèctrica és utilitzant dues làmines trobes a material conductor, com ara el tàntal, que es troben separades per algun material dielèctric, per exemple l'aire.
Abans de continuar, és important no confondre un dielèctric amb un material totalment aïllant. És a dir, tots els dielèctrics són aïllants, però això no fa que necessàriament tots els aïllants siguin dielèctrics. Els materials dielèctrics tenen la capacitat de tornar-se conductors quan són sotmesos a una gran càrrega elèctrica i trenquen la rigidesa dielèctrica. Alguns d'aquests materials poden ser: ceràmica, paper, cera, vidre, petroli, entre d'altres. Els materials completament aïllants són els que sense importar a quanta càrrega elèctrica sigui sotmès, aquest no serà un conductor, un exemple és el cautxú.
Ara, les plaques dins de l'condensador, a l'ésser alimentat amb una font d'alimentació, es carregaran elèctricament per parts iguals però amb diferents signes. Això vol dir que una càrrega serà positiva (+ q), i l'altra càrrega tindrà la mateixa magnitud però amb càrrega negativa (-q), a estàs càrregues iguals però diferents signes és el que s'anomena diferència de potencial o voltatge.
En general, en els condensadors es solen utilitzar com a material dielèctric l'aire, el paper, el tàntal, l'alumini i la ceràmica, també, en alguns condensadors s'usen certs plàstics.
La capacitat d'emmagatzematge que té un capacitor o condensador es calcula en la unitat de farads. El rang en el qual es troba la majoria dels condensadors elèctrics són des dels pic (pF) fins als micro (uF) farads. L'equació per calcular la capacitat d'un condensador és:
C = q/V
on:
q = és la càrrega que emmagatzema cada placa. La seva unitat és Coulomb (C)
V = és la tensió, voltatge o diferencial de potencial entre les dues làmines o conductors de l'condensadors. La seva unitat són els Volts (V)
Aplicant aquesta fórmula, si assumim els valors per a la càrrega 1 i per al voltatge 1, ens donaria com a resultat 1 Farad. No obstant això, això és només un exemple, ja que un condensador d'aquesta capacitat no existeix perquè seria increïblement gran. Per tenir una idea, abastaria l'espai de 1000 m2.
Ara, si volem conèixer el voltatge que pot emmagatzemar un condensador coneixent la càrrega i els farads de l'capacitor, llavors podem aclarir a l'Voltatge de l'equació anterior queda:
V = q/C
Càrrega i descàrrega d'un Condensador
Una de les característiques de l'condensador és que la seva descàrrega és progressiva i no immediata. Un capacitor té un període de temps de descàrrega. Aquesta propietat permet a l'condensador tenir altres aplicacions com temporitzadors i filtres d'un circuit elèctric.
Un condensador quan es carrega completament, és quan permet el pas de la tensió. Quan es desconnecta la font d'alimentació el condensador comença a alliberar la tensió de forma gradual cap a la càrrega o l'element que consumeix el voltatge.
En general, a l'condensador sempre li antecedeix una resistència per motius de protecció a l'condensador. Tot i que un condensador compta amb una petita resistència interna, està és menyspreable, i si no es pren la precaució de protegir el condensador, aquest pot danyar-se i fins i tot explotar.
Càrrega de l'Condensador
Per poder explicar senzillament el comportament d'un condensador a l'carregar posarem l'exemple més utilitzat per il·lustrar-ho:
Considerem un circuit on hi ha una font d'alimentació com per exemple una bateria, una resistència de nom R1 que s'encarrega de controlar el pas del corrent que va a arribar a el condensador per tal de protegir-lo. També, un commutador o switche que permeti que el capacitor es carregui o es descarregui, i finalment, una resistència llamada.R2 que representarà a el dispositiu que consumeix el corrent.
En primer lloc, veiem com el switche o commutador està disposat perquè el condensador estigui en sèrie amb la font alimentació i la resistència, per cert, hem de destacar que aquesta resistència es denomina resistència de càrrega.
En aquest moment el condensador està sent carregat de forma controlada gràcies a la resistència de càrrega. Aquesta combinació de resistència i condensador permet establir els temporitzadors que esmentem anteriorment. Això es deu a anar la resistència impedeix el pas del corrent lliurement, de manera que el corrent pren més temps a transitar pel circuit, perquè després passi pel condensador, pren un temps en carregar-se.
El temps que triga a carregar-se un condensador pot calcular mitjançant la següent equació:
t1 = 5 x R1 x C
on:
t1: és el temps de càrrega. La seva unitat és mil·lisegons (em)
R1: és la resistència de càrrega. La seva unitat són els ohms (Ω).
C: és la capacitància de l'condensador. La seva unitat són farads (F)
Aquesta equació ens permet afirmar que a major resistència de càrrega i / o més gran sigui la capacitància d'un condensador, major serà el temps de càrrega. La qual cosa, es pot verificar en la següent gràfica.
Poguessis preguntar què passaria si no col·loquem la resistència de càrrega. Teòricament el condensador es carregaria de forma immediata. Però, tal com ho esmentem anteriorment, que no es recomana ja que els condensadors només poden rebre un corrent petita. Si recordem la Llei d'Ohm podem observar que:
I = V/R
on:
I: és el corrent. La seva unitat són Amperes (A)
V: és el voltatge. La seva unitat són Volts (V)
R: és la resistència. La seva unitat és el Ohm (Ω)
Si la resistència tendeix o és igual a 0, això implicaria que el corrent seria pràcticament infinita, o al menys molt gran. El condensador només pot suportar alimentar-se d'un corrent inferior. En definitiva, si no es col·loca cap tipus de resistència de càrrega és possible que el condensador no pugui suportar aquest corrent i es cremi.
Ara assumim que el condensador ja es va carregar, llavors Què passa ?. Tornem a reprendre la Llei d'Ohm, a mesura que el voltatge va pujant, i ja que el valor de la resistència es manté, el valor del corrent tendeix a zero.
Com ja sabem, la funció de l'condensador és emmagatzemar tensió o voltatge. Això vol dir, que a mesura que el capacitor es va carregant, va existint un major voltatge en aquest punt. La resistència com no varia el seu valor, el corrent va tendint a zero. En resum, una vegada que un condensador està carregat, es comporta com un circuit obert o com un interruptor que impedeix el pas del corrent, encara que si hi ha d'haver voltatge o tensió en aquest punt.
Descàrrega d'el Condensador
Ara presentem el cas invers. El moment en què el switche o commutador canvia de posició, i el condensador es col·loca en sèrie amb la resistència R2 el condensador començarà a descarregar-se. Per què ?, doncs perquè la resistència R2 representa el consum de l'circuit, i està resistència demandarà ser alimentada quan el circuit en el qual ella es troba es tanqui. Aquesta alimentació proporciona la el condensador, descarregant la diferència de potencial que té emmagatzemada.
A l'igual que com succeeix amb la càrrega, la descàrrega tampoc és de forma immediata, sinó de forma progressiva. I a l'igual que amb la càrrega, l'equació per estimar el temps de descàrrega és la mateixa. Això vol dir que depèn de la resistència de R2 i la capacitat de l'condensador el temps que demora la descàrrega del mateix. Igualment, aquí refresquem novament l'equació:
t1 = 5 x R1 x C
on:
t2: és el temps de càrrega. La seva unitat és milisegons (ms)
R2: és la resistència de càrrega. La seva unitat són els ohms (Ω).
C: és la capacitància de l'condensadoe. La seva unitat són farads (F)
Aquest tipus de circuit podria controlar, per exemple el temps en què estigui encès un dispositiu.
El Condensador com Filtre
Una altra de les aplicacions per a les que s'usen freqüentment els condensadors és com a filtre. Això és possible gràcies a la seva característica de carregar-se i descarregar-se de forma gradual, i s'aprofita aquest fenomen per netejar les impureses dels senyals o de l'ona elèctrica.
Si prenem com a exemple el circuit inicial, però en aquest cas amb una font d'alimentació de corrent altern. El condensador començarà a carregar-se fins a aconseguir la seva màxima capacitat d'emmagatzematge, llavors cessarà el pas de corrent i la càrrega començarà a ser alimentada per tensió que hi ha al condensador. En el moment en què el condensador comença a descarregar-se, la font d'alimentació procedeix a carregar novament a l'capacitor sense esperar que aquest es descarregui completament.
Això pot ser visualment més fàcil de comprendre:
Com es pot veure, l'ona de la font d'alimentació alterna és sinusoïdal i gràcies a la propietat de l'condensador és possible rectificar l'ona en una alimentació directa. Això és molt útil per a les fonts d'alimentació que utilitzen, per exemple, els ordinadors. Molts dispositius no poden treballar amb corrent altern sinó amb corrent continu i allà és quan entra com a intermediari les fonts d'alimentació. Per descomptat, que en estàs fonts d'alimentació tenen molts més components per aconseguir aquest objectiu.
Tipus de condensadors
Els condensadors o condensadors poden tenir diferents classificacions. A continuació, començarem classificant als condensadors segons el seu tipus de dielèctric:
Per la seva dielèctric
Els condensadors es classifiquen segons el dielèctric que tenen. Hi condensadors denominats electrolítics, són aquells que tenen una polaritat, és a dir tenen un terminal o «pota» positiu i un terminal negatiu. Si es connecten amb la polaritat invertida, el condensador es farà malbé.
Aquests condensadors electrolítics, a diferència d'altres condensadors és que utilitzen un líquid iònic conductor. Aquest líquid és una dissolució química, que comunament està composta per àcid bòric o borat de sodi amb sucres glicol d'etilè. Aquest líquid entra com a substitut d'una de les plaques o làmines conductores de l'condensador.
A diferència dels condensadors electrolítics, els condensadors que tenen com a dielèctric l'aire, la ceràmica, el paper o altres, no tenen una polaritat establerta. A més, tenen en el seu interior dues plaques i cap líquid intern.
Tots dos tipus de condensadors tenen les seves aplicacions, de manera que no s'han pogut substituir entre si els condensadors encara que tinguin diferents dielèctrics.
En resum, hi ha condensadors:
- Electrolítics
- ceràmics
- de paper
- d'aire
- condensador variable
Fixos o variables
A l'igual que les resistències, hi ha condensadors amb una capacitat fixa i també condensadors que se'ls pot variar la seva capacitat. Això s'aconsegueix ajustant la separació que hi ha entre les seves plaques mitjançant una perilla, tal com si fos un potenciòmetre o una resistència variable.
Segons la seva forma
Els condensadors poden variar el seu disseny, i hi ha condensadors de disc, perla i tubulars, com es mostra a contiuación respectivament.
Codi dels Condensadors
Hi ha alguns condensadors que indiquen el seu valor de capacitat mitjançant una taula de colors, molt similar a la que utilitzen les resistències.
Codi per colors
El primer color indica el valor de la primera, el segon el de la segona xifra, el tercer és l'exponent que eleva a 10, és a dir que 10 serà elevat a l'nombre que representa el tercer color. El quart color indica el percentatge de variació, és a dir que pot ser, per exemple 10% més o 10% a la valor que indica la capacitat. Finalment, el cinquè color indica la tensió o voltatge de càrrega. Tots aquests condensadors tenen per unitat picofaradios.
El valor dels colors ve en una taula comercial que és la següent:
codi japonès
Hi ha un altre tipus de codi per identificar la capacitat que té un condensador és tipus de codis denominat codi japonès o codi 101. Aquest codi consta de tres nombres que es troben de forma visible en el condensador.
Els dos primers dígits formen un nombre que ha de multiplicar-se per 10 elevat a el tercer nombre, mantenint com a unitat el picofaradio. Per exemple:
Aquest condensador té per codi els números 104. Llavors la forma de calcular la capacitat d'aquest capacitor és:
10 10 X4 = 100000 pF = 0,1 uF
codi alfanumèric
Hi ha un altre codi per identificar el material i capacitat d'un condensador, el qual utilitza la combinació de lletres i números. Existeixen moltíssimes formes de presentar aquest codi que combinen números i lletres, i són tan variades que en realitat no val la pena aprendre'ls, per la qual cosa es recomana en canvi consultar amb el Datasheet de fabricant.
Condensadors en sèrie i en paral·lel
A l'igual que les resistències la posició dels condensadors en sèrie o en paral·lel generen un comportament en la capacitància total. Anem a començar a veure el fenomen que succeeix quan els condensadors estan en sèrie.
Condensadors en Sèrie
Quan els condensadors es troben en sèrie, la capacitat de cada condensador actua de la següent manera:
Sorgeix l'equació:
Vt = V1 + V2
on:
Vt: voltatge total
V1: voltatge del primer condensador
V2: voltatge de el segon condensador
Tornem a reprendre l'equació per calcular la capacitat de l'condensador:
C = q/V
on:
q = és la càrrega que emmagatzema cada placa. La seva unitat és Coulomb (C)
V = és la tensió, voltatge o diferencial de potencial entre les dues làmines o conductors de l'condensadors. La seva unitat són els Volts (V)
I que era possible aclarir V de la següent manera:
V = q/C
Ara, si substituïm a cada V de cada condensador de l'circuit per l'expressió anterior, obtenim que;
1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 ... 1 / Cn
Condensadors en Paral·lel
En aquest cas, ja que els condensadors estan en paral·lel, el voltatge que rep cada condensador és igual a el de la font d'alimentació, llavors s'ha de:
Vt = V1 = V2 = V3 ... Vn
on
Vt: és el voltatge total o de la font
V1: Voltatge del primer condensador
V2. Voltatge de l'segon condensador
V3: Voltatge de l'tercer condensador
Novament, si reprenem l'expressió que ens permet estimar el valor de l'voltatge segons la càrrega i el valor de la capacitat:
V = q/C
I procedim a substituir cada V de cada condensador de l'circuit per l'expressió anterior, obtenim que:
C = C1 + C2 + C3 ... + Cn
Usos de l'condensador
El condensador forma part dels components més bàsics de l'electrònica. Gairebé és impossible esmentar un dispotiu en l'actualitat que no requereixi de condensadors en el seu disseny. A continuació esmentarem algunes de les aplciaciones més comuns on es troba el condensador.
- Bateries i memòries: gràcies a la seva capacitat d'emmagatzematge, és possible col·locar diversos condensadors en paral·lel per incrementar la capacitat de càrrega.
- filtres: són molt utilitzats en les xarxes elèctriques ja que poden eliminar l'arrissat i sorolls provinents de la xarxa, o en el cas invers, perquè els harmònics que generen les xarxes elèctriques internes siguin filtrats abans de tornar a la xarxa. En telecomunicacions, la seva capacitat de filtrar és molt utilitzada per establir bandes de freqüències i igualment per a la disminució o eliminació d'interferències.
- Fonts d'alimentació: el seu comportament de càrrega i descàrrega gradual permet la rectificació de les ones, la qual és indispensable en les fonts d'alimentació per transformar els corrents alternes en corrents continus, ja que la majoria dels dispositius electrònics treballen internament amb corrent continu, però el servei elèctric opera amb corrent altern. És per això que les fonts de poder són necessàries per al funcionament dels equips, i entre els components que la conformen, el condensador juga un paper irreemplaçable.
- Adaptadors d'impedància: els condensadors poden descarregar i carregar energia en període de temps pràcticament menyspreables, i això permet que faci ressonar juntament amb altres components la resistivitat, perquè puguin acoblar o treballar en conjunt dos circuits que tinguin diferents impedàncies.
No obstant això, aquests són tan sols uns dels seus pocs usos que podem esmentar. Els condensadors tenen aplicacions en l'electrònica, les grans xarxes elèctriques, en les telecomunicacions i altres. Des de les nostres computadores, cel·lulars, neveres, relojs digitals, televisors i molts altres invencions més, tenen en el seu interior condensadors com a part essencial del conjunt que forma i dóna vida als dispotivos o equips.
Conclusions
Les aplicacions que avui dia té l'electrònica és tan important en la nostra vida quotidiana que pràcticament és impesanble sobreviure en un món on ja no existeixi. I aquest extens món ed avançada tecnologia s'inicia en les seves bases més humils com els són cada component que forma part de l'electrònica.
Aquest és el cas de l'condensador, un component fabricat de materials molt senzills, ho fa un dels components bàsics de l'electrònica, però és gràcies al seu comportament que és impossible que no es trobi en tots els dispositius electrònics que existeixen.
Sense cap dubte, l'avanç de l'electrònica ha estat un impulsor fonamental que ha obert camí l'avanç de les tecnologies de diverses disciplines. I tot i que el condensador per si només no té gran utilitat quan és cominado amb altres components es poden crear equips tan sofisticats com targetes de memòria RAM, Ordinadors, robots, drones, cel·lulars, servidors i molt més.