El mundo de la electrónica ha sido el trampolín que necesitaba la tecnología para ser impulsada. Y este trampolín está constituido de pequeñas partes como el condensador. En este curioso post conocerás detalladamente ¿Qué es un condensador eléctrico?, las distintas funciones que se aplican con él y su gran importancia en distintas áreas.
El condensador
Para dar inicio al estudio del condensador vamos a explicar en primer lugar qué es un condensador. Se trata de componente eléctrico pasivo, es decir que no genera electricidad por su cuenta, capaz de almacenar una carga eléctrica, y liberarla posteriormente. Se le puede encontrar como condensador o capacitor. La carga que mantiene en su interior es un diferencial de potencial o voltaje.
La historia del conde dador surge en el año 1745 cuando el Alemán Ewald Georg von Kleist de percató que era posible el almacenamiento de una carga eléctrica. Esto surgió producto de un accidente cuando conectó un generador electrostático a un volumen de agua que estaba dentro de una jarra o botella de vidrio mediante un cable. Cuando retiraba el cable y posó su mano.
No pasó un año cuando el físico holandés Pieter van Musschenbroek inventó un condensador con las mismas características. En conmemoración a la universidad en la que trabajaba llamó a este condensador «la botella de Leyden».
¿Cómo funciona un condensador?
Ahora, veamos cómo funciona un condensador y para qué sirve un condensador. La manera en que logra almacenar la carga eléctrica es utilizando dos láminas echas de material conductor, como por ejemplo el tantalio, que se encuentran separadas por algún material dieléctrico, por ejemplo el aire.
Antes de continuar, es importante no confundir un dieléctrico con un material totalmente aislante. Es decir, todos los dieléctricos son aislantes, pero esto no hace que necesariamente todos los aislantes sean dieléctricos. Los materiales dieléctricos tienen la capacidad de tornarse conductores cuando son sometidos a una gran carga eléctrica y rompen la rigidez dieléctrica. Algunos de estos materiales pueden ser: cerámica, papel, cera, vidrio, petróleo, entre otros. Los materiales completamente aislantes son los que sin importar a cuanta carga eléctrica sea sometido, este no será un conductor, un ejemplo es el caucho.
Ahora, las placas dentro del condensador, al ser alimentado con una fuente de alimentación, se cargarán eléctricamente por partes iguales pero con diferentes signos. Esto significa que una carga será positiva (+q), y la otra carga tendrá la misma magnitud pero con carga negativa (-q), a estás cargas iguales pero diferentes signos es lo que se denomina diferencia de potencial o voltaje.
Por lo general, en los condensadores se suelen usar como material dieléctrico el aire, el papel, el tantalio, el aluminio y la cerámica, también, en algunos capacitores se usan ciertos plásticos.
La capacidad de almacenamiento que tiene un capacitor o condensador se calcula en la unidad de Faradios. El rango en el que se encuentra la mayoría de los condensadores eléctricos son desde los pico (pF) hasta los micro (uF) Faradios. La ecuación para calcular la capacidad de un condensador es:
C = q / V
Donde:
q = es la carga que almacena cada placa. Su unidad es Coulomb (C)
V = es la tensión, voltaje o diferencial de potencial entre las dos láminas o conductores del condensadores. Su unidad son los Voltios (V)
Aplicando esta fórmula, si asumimos los valores para la carga 1 y para el voltaje 1, nos daría como resultado 1 Faradio. Sin embargo, esto es solo un ejemplo, ya que un condensador de esta capacidad no existe porque sería increíblemente grande. Para tener una idea, abarcaría el espacio de 1000 m2.
Ahora, si queremos conocer el voltaje que puede almacenar un condensador conociendo la carga y los Faradios del capacitor, entonces podemos despejar al Voltaje de la ecuación anterior quedando:
V = q / C
Carga y Descarga de un Condensador
Una de las características del condensador es que su descarga es progresiva y no inmediata. Un capacitor tiene un periodo de tiempo de descarga. Esta propiedad permite al condensador tener otras aplicaciones como temporizadores y filtros de un circuito eléctrico.
Un condensador cuando se carga completamente, es cuando permite el paso de la tensión. Cuando se desconecta la fuente de alimentación el condensador comienza a liberar la tensión de forma paulatina hacía la carga o el elemento que consume el voltaje.
Por lo general, al condensador siempre le antecede una resistencia por motivos de protección al condensador. Aun cuando un condensador cuenta con una pequeña resistencia interna, está es despreciable, y si no se toma la precaución de proteger el condensador, este puede dañarse e incluso explotar.
Carga del Condensador
Para poder explicar sencillamente el comportamiento de un condensador al cargarse pondremos el ejemplo más utilizado para ilustrarlo:
Consideremos un circuito donde existe una fuente de alimentación como por ejemplo una batería, una resistencia de nombre R1 que se encarga de controlar el paso de la corriente que va a llegar al condensador a fin de protegerlo. También, un conmutador o switche que permita que el capacitor se cargue o se descargue, y finalmente, una resistencia llamada.R2 que va a representar al dispositivo que consume la corriente.
En primer lugar, vemos como el switche o conmutador está dispuesto para que el condensador esté en serie con la fuente alimentación y la resistencia, por cierto, debemos destacar que esta resistencia se denomina resistencia de carga.
En este momento el condensador está siendo cargado de forma controlada gracias a la resistencia de carga. Esta combinación de resistencia y condensador permite establecer los temporizadores que mencionamos anteriormente. Esto se debe a ir la resistencia impide el paso de la corriente libremente, por lo que la corriente toma más tiempo en transitar por el circuito, para que luego pase por el condensador, toma un tiempo en cargarse.
El tiempo que tarda en cargarse un condensador puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
t1= 5 x R1 x C
Dónde:
t1: es el tiempo de carga. Su unidad es milisegundos (me)
R1: es la resistencia de carga. Su unidad son los ohms (Ω).
C: es la capacitancia del condensador. Su unidad son Faradios (F)
Esta ecuación nos permite afirmar que a mayor resistencia de carga y/o a mayor sea la capacitancia de un condensador, mayor será el tiempo de carga. Lo cual, se puede verificar en la siguiente gráfica.
Pudieras preguntarte qué sucedería si no colocamos la resistencia de carga. Teóricamente el condensador se cargaría de forma inmediata. Pero, tal como lo mencionamos anteriormente, esto no es recomendable ya que los capacitores sólo pueden recibir una corriente pequeña. Si recordamos la Ley de Ohm podemos observar que:
I = V / R
Donde:
I: es la corriente. Su unidad son Amperes (A)
V: es el voltaje. Su unidad son Voltios (V)
R: es la resistencia. Su unidad es el Ohm (Ω)
Si la resistencia tiende o es igual a 0, esto implicaría que la corriente sería prácticamente infinita, o al menos muy grande. El condensador solo puede soportar alimentarse de una corriente inferior. En definitiva, si no se coloca ningún tipo de resistencia de carga es posible que el condensador no pueda soportar esa corriente y se queme.
Ahora asumamos que el condensador ya se cargó, entonces ¿Qué sucede?. Volvamos a retomar la Ley de Ohm, a medida que el voltaje va subiendo, y ya que el valor de la resistencia se mantiene, el valor de la corriente tiende a cero.
Como ya sabemos, la función del condensador es almacenar tensión o voltaje. Esto significa, que a medida que el capacitor se va cargando, va existiendo un mayor voltaje en ese punto. La resistencia como no varía su valor, la corriente va tendiendo a cero. En resumen, una vez que un condensador está cargado, se comporta como un circuito abierto o como un interruptor que impide el paso de la corriente, aunque si existirá voltaje o tensión en ese punto.
Descarga del Condensador
Ahora presentemos el caso inverso. El momento en el que el switche o conmutador cambia de posición, y el condensador se coloca en serie con la resistencia R2 el condensador comenzará a descargarse. ¿Por qué?, Pues porque la resistencia R2 representa el consumo del circuito, y está resistencia demandará ser alimentada cuando el circuito en el que ella se encuentra se cierre. Esta alimentación la proveerá el condensador, descargando la diferencia de potencial que tiene almacenada.
Al igual que como sucede con la carga, la descarga tampoco es de forma inmediata, sino de forma progresiva. Y al igual que con la carga, la ecuación para estimar el tiempo de descarga es la misma. Esto significa que depende de la resistencia de R2 y la capacidad del condensador el tiempo que demora la descarga del mismo. Igualmente, aquí refrescamos nuevamente la ecuación:
t1= 5 x R1 x C
Dónde:
t2: es el tiempo de carga. Su unidad es milisegundos (ms)
R2: es la resistencia de carga. Su unidad son los ohms (Ω).
C: es la capacitancia del condensadoe. Su unidad son Faradios (F)
Este tipo de circuito podría controlar, por ejemplo el tiempo en que esté encendido un dispositivo.
El Condensador como Filtro
Otra de las aplicaciones para las que se usan frecuentemente los condensadores es como filtro. Esto es posible gracias a su característica de cargarse y descargarse de forma paulatina, y se aprovecha este fenómeno para limpiar las impurezas de las señales o de la onda eléctrica.
Si tomamos como ejemplo el circuito inicial, pero en este caso con una fuente de alimentación de corriente alterna. El condensador comenzará a cargarse hasta alcanzar su máxima capacidad de almacenamiento, entonces cesará el paso de corriente y la carga comenzará a ser alimentada por tensión que existe en el condensador. En el momento en que el condensador comienza a descargarse, la fuente de alimentación procede a cargar nuevamente al capacitor sin esperar a que este se descargue por completo.
Esto puede ser visualmente más fácil de comprender:
Como se puede ver, la onda de la fuente de alimentación alterna es sinusoidal y gracias a la propiedad del condensador es posible rectificar la onda en una alimentación directa. Esto es muy útil para las fuentes de alimentación que utilizan, por ejemplo, las computadoras. Muchos dispositivos no pueden trabajar con corriente alterna sino con corriente continua y allí es cuando entra como intermediario las fuentes de alimentación. Por supuesto, que en estás fuentes de alimentación tienen muchos más componentes para lograr este objetivo.
Tipos de Capacitores
Los condensadores o capacitores pueden tener diferentes clasificaciones. A continuación, comenzaremos clasificando a los condensadores según su tipo de dieléctrico:
Por su dieléctrico
Los capacitores se clasifican según el dieléctrico que tienen. Existen condensadores denominados electrolíticos, son aquellos que tienen una polaridad, es decir tienen un terminal o «pata» positivo y un terminal negativo. Si se conectan con la polaridad invertida, el condensador se dañará.
Estos condensadores electrolíticos, a diferencia de otros capacitores es que utilizan un líquido iónico conductor. Este líquido es una disolución química, que comúnmente está compuesta por ácido bórico o borato de sodio con azúcares glicol de etileno. Este líquido entra como sustituto de una de las placas o láminas conductoras del condensador.
A diferencia de los condensadores electrolíticos, los capacitores que tienen como dieléctrico el aire, la cerámica, el papel u otros, no tienen una polaridad establecida. Además, tienen en su interior dos placas y ningún líquido interno.
Ambos tipos de condensadores tienen sus aplicaciones, por lo que no se han podido sustituir entre si los condensadores aunque tengan diferentes dieléctricos.
En resumen, existen condesadores:
- Electrolíticos
- Cerámicos
- De papel
- De aire
- Condensador variable
Fijos o variables
Al igual que las resistencias, existen condensadores con una capacidad fija y también condensadores que se les puede variar su capacidad. Esto se logra ajustando la separación que hay entre sus placas mediante una perilla, tal como si fuera un potenciómetro o una resistencia variable.
Según su forma
Los condensadores pueden variar su diseño, existiendo condensadores de disco, perla y tubulares, como se muestra a contiuación respectivamente.
Código de los Condensadores
Hay algunos condensadores que indican su valor de capacidad mediante una tabla de colores, muy similar a la que utilizan las resistencias.
Código por colores
El primer color indica el valor de la primera, el segundo el de la segunda cifra, el tercero es el exponente que eleva a 10, es decir que 10 será elevado al número que representa el tercer color. El cuarto color indica el porcentaje de variación, es decir que puede ser, por ejemplo 10% más o 10% al valor que indica la capacidad. Por último, el quinto color indica la tensión o voltaje de carga. Todos estos condensadores tienen por unidad picofaradios.
El valor de los colores viene en una tabla comercial que es la siguiente:
Código japonés
Existe otro tipo de código para identificar la capacidad que tiene un condensador es tipo de códigos denominado código japonés o código 101. Este código consta de tres números que se encuentran de forma visible en el condensador.
Los dos primeros dígitos forman un número que debe multiplicarse por 10 elevado al tercer número, manteniendo como unidad el picofaradio. Por ejemplo:
Este condensador tiene por código los números 104. Entonces la forma de calcular la capacidad de este capacitor es:
10 X 104 = 100000 pF = 0,1 uF
Código alfanumérico
Existe otro código para identificar el material y capacidad de un condensador, el cual utiliza la combinación de letras y números. Existen muchísimas formas de presentar este código que combinan números y letras, y son tan variadas que en realidad no vale la pena aprenderlos, por lo que se recomienda en cambio consultar con el Datasheet del fabricante.
Condensadores en serie y en paralelo
Al igual que las resistencias la posición de los condensadores en serie o en paralelo generan un comportamiento en la capacitancia total. Vamos a empezar a ver el fenómeno que sucede cuando los condensadores están en serie.
Condensadores en Serie
Cuando los capacitores se encuentran en serie, la capacidad de cada condensador actúa de la siguiente forma:
Surge la ecuación:
Vt = V1 + V2
Donde:
Vt: voltaje total
V1: voltaje del primer condensador
V2: voltaje del segundo condensador
Volvamos a retomar la ecuación para calcular la capacidad del condensador:
C = q / V
Donde:
q = es la carga que almacena cada placa. Su unidad es Coulomb (C)
V = es la tensión, voltaje o diferencial de potencial entre las dos láminas o conductores del condensadores. Su unidad son los Voltios (V)
Y que era posible despejar V de la siguiente forma:
V = q / C
Ahora, si sustituimos a cada V de cada condensador del circuito por la expresión anterior, obtenemos que;
1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 … 1/Cn
Condensadores en Paralelo
En este caso, ya que los condensadores están en paralelo, el voltaje que recibe cada condensador es igual al de la fuente de alimentación, entonces se tiene que:
Vt = V1 = V2 = V3 … Vn
Donde
Vt: es el voltaje total o de la fuente
V1: Voltaje del primer condensador
V2. Voltaje del segundo condensador
V3: Voltaje del tercer condensador
Nuevamente, si retomamos la expresión que nos permite estimar el valor del voltaje según la carga y el valor de la capacidad:
V = q / C
Y procedemos a sustituir cada V de cada condensador del circuito por la expresión anterior, obtenemos que:
C= C1 + C2 + C3 … + Cn
Usos del condensador
El condensador forma parte de los componentes más básicos de la electrónica. Casi es imposible mencionar un dispotivo en la actualidad que no requiera de condensadores en su diseño. A continuación mencionaremos algunas de las aplciaciones más comunes donde se encuentra el condensador.
- Baterías y memorias: gracias a su capacidad de almacenamiento, es posible colocar diversos condensadores en paralelo para incrementar la capacidad de carga.
- Filtros: son muy utilizados en las redes eléctricas ya que pueden eliminar el rizado y ruidos provenientes de la red, o en el caso inverso, para que los armónicos que generen las redes eléctricas internas sean filtrados antes de regresar a la red. En telecomunicaciones, su capacidad de filtrar es muy utilizada para establecer bandas de frecuencias e igualmente para la disminución o eliminación de interferencias.
- Fuentes de alimentación: su comportamiento de carga y descarga paulatina permite la rectificación de las ondas, la cual es indispensable en las fuentes de alimentación para transformar las corrientes alternas en corrientes continuas, ya que la mayoría de los dispositivos electrónicos trabajan internamente con corriente continua, pero el servicio eléctrico opera con corriente alterna. Es por eso que las fuentes de poder son necesarias para el funcionamiento de los equipos, y entre los componentes que la conforman, el condensador juega un papel irremplazable.
- Adaptadores de impedancia: los condensadores pueden descargar y cargar energía en periodo de tiempos prácticamente despreciables, y esto permite que haga resonar junto con otros componentes la resistividad, para que puedan acoplarse o trabajar en conjunto dos circuitos que tengan diferentes impedancias.
Sin embargo, estos son tan sólo unos de sus pocos usos que podemos mencionar. Los condensadores tienen aplicaciones en la electrónica, las grandes redes eléctricas, en las telecomunicaciones y otros. Desde nuestras computadoras, celulares, neveras, relojs digitales, televisores y muchos otras invenciones más, tienen en su interior condensadores como parte esencial del conjunto que forma y da vida a los dispotivos o equipos.
Conclusiones
Las aplicaciones que hoy en día tiene la electrónica es tan importante en nuestra vida cotidiana que practicamente es impesanble sobrevivir en un mundo donde ya no exista. Y este extenso mundo ed avanzada tecnología inicia en sus bases más humildes como los son cada componente que forma parte de la electrónica.
Este es el caso del condensador, un componente fabricado de materiales muy sencillos, lo hace uno de los componentes básicos de la electrónica, pero es gracias a su comportamiento que es imposible que no se encuentre en todos los dispositivos electrónicos que existen.
Sin lugar a dudas, el avance de la electrónica ha sido un impulsor fundamental que ha abierto camino el avance de las tecnologías de diversas disciplinas. Y aun cuando el condensador por si sólo no tiene gran utilidad cuando es cominado con otros componentes se pueden crear equipos tan sofisticados como tarjetas de memoria RAM, computadoras, robots, drones, celulares, servidores y mucho más.