Capacitadores Electrónicos: Que Son, Funcionamiento Y Fallas

Un capacitor o condensador es un dispositivo que almacena energía eléctrica en un campo eléctrico. Los capacitadores electrónicos son componentes pasivos con dos terminales. El efecto de un condensador se conoce como capacitancia. Mientras que existe alguna capacitancia entre dos conductores eléctricos cualquiera en proximidad en un circuito, un condensador es un componente diseñado para agregar capacitancia a un circuito. El capacitor se conocía originalmente como condensador.

Capacitadores electrónicos

La forma física y la construcción de capacitores prácticos varían ampliamente y muchos tipos de condensadores son de uso común. La mayoría de los condensadores contienen al menos dos conductores eléctricos, a menudo en forma de placas metálicas o superficies separadas por un medio dieléctrico.

Un conductor puede ser una lámina, una película delgada, un trozo de metal sinterizado o un electrolito. El dieléctrico no conductor actúa para aumentar la capacidad de carga del condensador. Los materiales comúnmente usados como dieléctricos incluyen vidrio, cerámica, películas plásticas, papel, mica, aire y capas de óxido. Los capacitores son ampliamente usados como partes de circuitos eléctricos en muchos dispositivos eléctricos comunes.

A diferencia de una resistencia, un condensador ideal no disipa energía, aunque los condensadores de la vida real disipan una pequeña cantidad, cuando se aplica un potencial eléctrico, un voltaje, a través de los terminales de un capacitor, por ejemplo, cuando un condensador se conecta a través de una batería, un campo eléctrico se desarrolla a través del dieléctrico, causando que una carga positiva neta se acumule en una placa y una carga negativa neta se acumule en la otra placa.

Ninguna corriente fluye realmente a través del dieléctrico. Sin embargo, hay un flujo de carga a través del circuito de la fuente. Si la condición se mantiene durante un tiempo suficiente, la corriente a través del circuito de la fuente cesa. Si se aplica una tensión variable a través de los cables del condensador, la fuente experimenta una corriente continua debido a los ciclos de carga y descarga del condensador.

¿Cómo funciona un capacitor?

Los capacitadores electrónicos consisten en dos conductores separados por una región no conductora. La región no conductora puede ser un vacío o un material aislante eléctrico conocido como dieléctrico. Ejemplos de medios dieléctricos son el vidrio, el aire, el papel, el plástico, la cerámica e incluso una región de agotamiento de semiconductores químicamente idéntica a los conductores.

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De acuerdo con la ley de Coulomb, una carga sobre un conductor ejercerá una fuerza sobre los portadores de carga dentro del otro conductor, atrayendo una carga de polaridad opuesta y repeliendo cargas de polaridad similar, por lo que se inducirá una carga de polaridad opuesta en la superficie del otro conductor. De este modo, los conductores mantienen cargas iguales y opuestas en sus superficies frontales y el dieléctrico desarrolla un campo eléctrico.

Un condensador ideal se caracteriza por una capacitancia constante C, en faradios del sistema de unidades SI, definida como la relación entre la carga positiva o negativa Q de cada conductor y la tensión V entre ellos:

C=Q/V

Una capacitancia de un faradio (F) significa que un culombio de carga en cada conductor causa un voltaje de un voltio a través del dispositivo. Debido a que los conductores (o placas) están muy juntos, las cargas opuestas en los conductores se atraen entre sí debido a sus campos eléctricos, permitiendo que el capacitor almacene más carga para un voltaje dado que cuando los conductores están separados, produciendo una capacitancia mayor.

En dispositivos prácticos, la acumulación de carga a veces afecta mecánicamente al capacitor, haciendo que su capacitancia varíe. En este caso, la capacitancia se define en términos de cambios incrementales:

C=dQ/dV

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Uso de los condensadores

Los primeros capacitadores electrónicos se crearon en la década de 1740, cuando los experimentadores europeos descubrieron que la carga eléctrica podía almacenarse en tarros de vidrio llenos de agua que llegaron a conocerse como tarros de Leyden. En 1748, Benjamin Franklin conectó una serie de tarros para crear lo que él llamó una "batería eléctrica", a partir de su similitud visual con una batería de cañón, que se convirtió en el término inglés estándar de batería eléctrica.

Hoy en día, los capacitores son ampliamente utilizados en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua y permitir el paso de la corriente alterna. En las redes de filtros analógicos, suavizan la salida de las fuentes de alimentación.

En circuitos resonantes sintonizan radios a frecuencias particulares. En los sistemas de transmisión de energía eléctrica, estabilizan el voltaje y el flujo de energía. La propiedad del almacenamiento de energía en los capacitores fue explotada como memoria dinámica en los primeros ordenadores digitales.

Capacitores dependientes de la tensión

La constante dieléctrica para una serie de dieléctricos muy útiles cambia en función del campo eléctrico aplicado, por ejemplo, los materiales ferroeléctricos, por lo que la capacitancia de estos dispositivos es más compleja.

Problemas de los capacitadores electrónicos

Hay ciertos problemas que se pueden notar en los condensadores:

Inestabilidad de la capacitancia

La capacitancia de ciertos capacitores disminuye a medida que el componente envejece. En los capacitores cerámicos, esto es causado por la degradación del dieléctrico. El tipo de dieléctrico, las temperaturas ambientales de operación y almacenamiento son los factores de envejecimiento más significativos, mientras que el voltaje de operación usualmente tiene un efecto menor, es decir, el diseño habitual de los condensadores es minimizar el coeficiente de voltaje.

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El proceso de envejecimiento puede invertirse calentando el componente por encima del punto Curie. El envejecimiento es más rápido cerca del comienzo de la vida útil del componente, y el dispositivo se estabiliza con el tiempo. Los capacitores electrolíticos envejecen a medida que el electrolito se evapora. A diferencia de los condensadores cerámicos, esto ocurre hacia el final de la vida útil del componente.

La dependencia de la temperatura de la capacitancia se expresa generalmente en partes por millón (ppm) por °C. Por lo general, se puede tomar como una función ampliamente lineal, pero puede ser notablemente no lineal en los extremos de temperatura. El coeficiente de temperatura puede ser positivo o negativo, a veces incluso entre diferentes muestras del mismo tipo. En otras palabras, la propagación en el rango de los coeficientes de temperatura puede abarcar el cero.

Los condensadores, especialmente los cerámicos, y los diseños más antiguos, como los condensadores de papel, pueden absorber las ondas sonoras, lo que produce un efecto microfónico. La vibración mueve las placas, haciendo que la capacitancia varíe, induciendo a su vez corriente alterna.

Algunos dieléctricos también generan piezoelectricidad. La interferencia resultante es especialmente problemática en las aplicaciones de audio, lo que puede causar retroalimentación o grabaciones no deseadas. En el efecto microfónico inverso, el campo eléctrico variable entre las placas de condensadores ejerce una fuerza física, moviéndolas como un altavoz. Esto puede generar sonido audible, pero drena energía y tensiona el dieléctrico y el electrolito, si los hay.

Inversión de corriente y tensión

La inversión de corriente se produce cuando la corriente cambia de dirección. La inversión de voltaje es el cambio de polaridad en un circuito. La inversión se describe generalmente como el porcentaje de la tensión nominal máxima que invierte la polaridad. En los circuitos de CC, esto suele ser inferior al 100%, a menudo en el rango de 0 a 90%, mientras que los circuitos de CA experimentan una inversión del 100%.

En circuitos de CC y circuitos pulsados, la corriente y la inversión de tensión se ven afectadas por la amortiguación del sistema. La inversión de tensión se produce en los circuitos RLC con poca amortiguación. La corriente y la tensión invierten la dirección, formando un oscilador armónico entre la inductancia y la capacitancia.

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La corriente y la tensión tienden a oscilar y pueden invertirse varias veces, siendo cada pico menor que el anterior, hasta que el sistema alcanza un equilibrio. A esto se le llama a menudo timbre. En comparación, los sistemas críticamente amortiguados o sobre-amortiguados usualmente no experimentan una inversión de voltaje. La inversión también se encuentra en los circuitos de CA, donde la corriente de pico es igual en cada dirección.

Para una vida útil máxima, los capacitores normalmente necesitan ser capaces de manejar la máxima cantidad de inversión que un sistema puede experimentar. Un circuito de CA experimenta una inversión de voltaje del 100%, mientras que los circuitos de CC con poca amortiguación experimentan menos del 100%.

La inversión crea un exceso de campos eléctricos en el dieléctrico, causa un exceso de calentamiento tanto del dieléctrico como de los conductores, y puede acortar drásticamente la esperanza de vida del condensador. Las capacidades de inversión a menudo afectan las consideraciones de diseño del condensador, desde la elección de los materiales dieléctricos y las capacidades de tensión hasta los tipos de conexiones internas utilizadas.

Absorción dieléctrica

Los capacitadores electrónicos fabricados con cualquier tipo de material dieléctrico muestran algún nivel de "absorción dieléctrica" o "remojo". Al descargar un condensador y desconectarlo, después de un corto periodo de tiempo puede desarrollar una tensión debido a la histéresis en el dieléctrico, este efecto es objetable en aplicaciones como los circuitos de precisión de muestreo y retención o los circuitos de temporización.

El nivel de absorción depende de muchos factores, desde consideraciones de diseño hasta el tiempo de carga, ya que la absorción es un proceso dependiente del tiempo. Sin embargo, el factor principal es el tipo de material dieléctrico. Los capacitores tales como los electrolíticos de tántalo o las películas de polisulfona exhiben una absorción relativamente alta, mientras que el poliestireno o el teflón permiten niveles muy pequeños de absorción.

En algunos capacitores donde existen voltajes y energías peligrosas, como en tubos de flash, televisores y desfibriladores, la absorción dieléctrica puede recargar el condensador a voltajes peligrosos después de que haya sido cortocircuitado o descargado.

Cualquier capacitor que contenga más de 10 julios de energía se considera generalmente peligroso, mientras que 50 julios o más es potencialmente letal. Un condensador puede recuperar entre 0,01 y 20% de su carga original en un período de varios minutos, permitiendo que un condensador aparentemente seguro se vuelva sorprendentemente peligroso.

Fugas

La fuga es equivalente a una resistencia en paralelo con el capacitor. La exposición constante al calor puede causar ruptura dieléctrica y fugas excesivas, un problema que a menudo se observa en los circuitos de tubos de vacío más antiguos, especialmente donde se utilizaban condensadores de papel y lámina aceitados.

En muchos circuitos de tubos de vacío, los capacitores de acoplamiento entre etapas se utilizan para conducir una señal variable desde la placa de un tubo hasta el circuito de la rejilla de la siguiente etapa.

Los capacitadores electrónicos con fugas pueden causar que el voltaje del circuito de red se eleve desde su configuración normal de polarización, causando una distorsión excesiva de la corriente. En los amplificadores de potencia esto puede hacer que las placas se iluminen de rojo, o que las resistencias limitadoras de corriente se sobrecalienten, e incluso fallen.

Consideraciones similares se aplican a los amplificadores de estado sólido (transistores) fabricados con componentes, pero debido a la menor producción de calor y al uso de barreras dieléctricas modernas de poliéster, este problema que antes era común se ha vuelto relativamente raro.

Fallo electrolítico por desuso

Los capacitores electrolíticos de aluminio se acondicionan cuando se fabrican aplicando un voltaje suficiente para iniciar el estado químico interno adecuado. Este estado se mantiene mediante el uso regular del equipo. Si un sistema que utiliza condensadores electrolíticos no se utiliza durante un largo período de tiempo, puede perder su acondicionamiento. A veces fallan con un cortocircuito en la siguiente operación.