Escribe | Pasivo |
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Inventado | Ewald Georg von Kleist , Pieter van Musschenbroek (1745-1746, independientemente) |
Símbolo electrónico | |
Un condensador es un dispositivo que almacena energía eléctrica en un campo eléctrico . Es un componente electrónico pasivo con dos terminales .
El efecto de un condensador se conoce como capacitancia . Si bien existe algo de capacitancia entre dos conductores eléctricos en las proximidades de un circuito , un capacitor es un componente diseñado para agregar capacitancia a un circuito. El condensador se conocía originalmente como condensador o condensador . [1] Este nombre y sus afines todavía se usan ampliamente en muchos idiomas , pero rara vez en inglés, una excepción notable son los micrófonos de condensador , también llamados micrófonos de condensador.
La forma física y la construcción de los capacitores prácticos varían ampliamente y muchos tipos de capacitores 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 cordón de metal sinterizado o un electrolito . El dieléctrico no conductor actúa para aumentar la capacidad de carga del condensador. Los materiales comúnmente utilizados como dieléctricos incluyen vidrio , cerámica , película plástica , papel , mica , aire y capas de óxido . Los condensadores se utilizan ampliamente como parte decircuitos 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 (consulte Comportamiento no ideal ). Cuando se aplica una diferencia de potencial eléctrico (un voltaje ) a través de los terminales de un condensador, por ejemplo, cuando se conecta un condensador a través de una batería, se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que provoca una carga neta positiva.para recolectar en un plato y carga negativa neta para recolectar en el otro plato. En realidad, no fluye corriente a través del dieléctrico. Sin embargo, hay un flujo de carga a través del circuito fuente. Si la condición se mantiene durante un tiempo suficiente, cesa la corriente a través del circuito fuente. Si se aplica un voltaje variable en el tiempo a través de los cables del condensador, la fuente experimenta una corriente continua debido a los ciclos de carga y descarga del condensador.
Las primeras formas de condensadores se crearon en la década de 1740, cuando los experimentadores europeos descubrieron que la carga eléctrica podía almacenarse en frascos de vidrio llenos de agua que se conocieron como frascos de Leyden . Hoy en día, los condensadores se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua mientras permiten el paso de la corriente alterna . En las redes de filtros analógicos , suavizan la salida de las fuentes de alimentación . En los circuitos resonantes , sintonizan radios a frecuencias particulares . En los sistemas de transmisión de energía eléctrica , estabilizan el voltaje y el flujo de energía. [2]La propiedad de almacenamiento de energía en condensadores se explotó como memoria dinámica en las primeras computadoras digitales, [3] y todavía se encuentra en la DRAM moderna .
En octubre de 1745, Ewald Georg von Kleist de Pomerania , Alemania, descubrió que la carga se podía almacenar conectando un generador electrostático de alto voltaje mediante un cable a un volumen de agua en un frasco de vidrio de mano. [4] La mano de Von Kleist y el agua actuaron como conductores, y el frasco como dieléctrico (aunque los detalles del mecanismo se identificaron incorrectamente en ese momento). Von Kleist descubrió que tocar el cable producía una chispa poderosa, mucho más dolorosa que la obtenida de una máquina electrostática. Al año siguiente, el físico holandés Pieter van Musschenbroek inventó un condensador similar, que recibió el nombre de jarra de Leyden , en honor a laUniversidad de Leiden donde trabajó. [5] También quedó impresionado por el poder de la conmoción que recibió, escribiendo: "No tomaría una segunda conmoción por el reino de Francia". [6]
Daniel Gralath fue el primero en combinar varios frascos en paralelo para aumentar la capacidad de almacenamiento de carga. [7] Benjamin Franklin investigó el frasco de Leyden y llegó a la conclusión de que la carga estaba almacenada en el vidrio, no en el agua, como otros habían asumido. También adoptó el término "batería", [8] [9] (que denota el aumento de potencia con una fila de unidades similares como en una batería de cañones ), posteriormente aplicado a grupos de celdas electroquímicas . [10] Los frascos de Leyden se hicieron más tarde recubriendo el interior y el exterior de los frascos con papel de aluminio, dejando un espacio en la boca para evitar la formación de arcos entre las láminas. [ cita requerida] La primera unidad de capacitancia fue el tarro , equivalente a aproximadamente 1,11 nanofaradios . [11]
Los frascos de Leyden o dispositivos más potentes que empleaban placas de vidrio planas que se alternaban con conductores de aluminio se utilizaron exclusivamente hasta aproximadamente 1900, cuando la invención de la tecnología inalámbrica ( radio ) creó una demanda de condensadores estándar, y el movimiento constante hacia frecuencias más altas requirió condensadores con menor inductancia . Se empezaron a utilizar métodos de construcción más compactos, como una hoja dieléctrica flexible (como papel engrasado) intercalada entre hojas de papel de aluminio, enrollada o doblada en un paquete pequeño.
Los primeros condensadores se conocían como condensadores , un término que todavía se usa ocasionalmente en la actualidad, particularmente en aplicaciones de alta potencia, como los sistemas automotrices. El término fue utilizado por primera vez para este propósito por Alessandro Volta en 1782, con referencia a la capacidad del dispositivo para almacenar una mayor densidad de carga eléctrica de lo que era posible con un conductor aislado. [12] [1] El término quedó en desuso debido al significado ambiguo de condensador de vapor , y condensador se convirtió en el término recomendado a partir de 1926. [13]
Desde el inicio del estudio de la electricidad se han utilizado como aislantes materiales no conductores como vidrio , porcelana , papel y mica . Algunas décadas más tarde, estos materiales también eran adecuados para su uso posterior como dieléctrico para los primeros condensadores. Los condensadores de papel hechos intercalando una tira de papel impregnado entre tiras de metal y enrollando el resultado en un cilindro se usaban comúnmente a fines del siglo XIX; su fabricación se inició en 1876, [14] y se utilizaron desde principios del siglo XX como condensadores de desacoplamiento en telecomunicaciones (telefonía).
La porcelana se utilizó en los primeros condensadores cerámicos . En los primeros años del aparato transmisor inalámbrico de Marconi , los condensadores de porcelana se usaban para aplicaciones de alta tensión y alta frecuencia en los transmisores . En el lado del receptor se utilizaron condensadores de mica más pequeños para circuitos resonantes. Los condensadores dieléctricos de mica fueron inventados en 1909 por William Dubilier. Antes de la Segunda Guerra Mundial, la mica era el dieléctrico más común para condensadores en los Estados Unidos. [14]
Charles Pollak (nacido como Karol Pollak ), el inventor de los primeros condensadores electrolíticos , descubrió que la capa de óxido en un ánodo de aluminio permanecía estable en un electrolito neutro o alcalino , incluso cuando la energía estaba apagada. En 1896 se le concedió la patente de EE.UU. nº 672,913 para un "Condensador líquido eléctrico con electrodos de aluminio". Los capacitores de tantalio de electrolito sólido fueron inventados por Bell Laboratories a principios de la década de 1950 como un capacitor de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar su transistor recién inventado .
Con el desarrollo de materiales plásticos por parte de químicos orgánicos durante la Segunda Guerra Mundial , la industria de los condensadores comenzó a reemplazar el papel con películas de polímero más delgadas. Un desarrollo muy temprano en los condensadores de película se describió en la patente británica 587,953 en 1944. [14]
Los condensadores eléctricos de doble capa (ahora supercondensadores ) se inventaron en 1957 cuando H. Becker desarrolló un "condensador electrolítico de bajo voltaje con electrodos de carbono poroso". [14] [15] [16] Creía que la energía se almacenaba como una carga en los poros de carbono utilizados en su condensador como en los poros de las láminas grabadas de los condensadores electrolíticos. Debido a que él no conocía el mecanismo de doble capa en ese momento, escribió en la patente: "No se sabe exactamente qué está sucediendo en el componente si se usa para almacenamiento de energía, pero conduce a una capacidad extremadamente alta. "
El condensador semiconductor de óxido metálico (condensador MOS ) se origina en la estructura del transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), donde el condensador MOS está flanqueado por dos regiones dopadas. [17] La estructura MOSFET fue inventada por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [18] Posteriormente, el capacitor MOS fue ampliamente adoptado como un capacitor de almacenamiento en chips de memoria y como el bloque de construcción básico de la carga. dispositivo acoplado (CCD) en tecnología de sensor de imagen . [19] En memoria dinámica de acceso aleatorio( DRAM ), cada celda de memoria generalmente consta de un MOSFET y un condensador MOS. [20]
Un condensador consta de dos conductores separados por una región no conductora. [21] La región no conductora puede ser un vacío o un material aislante eléctrico conocido como dieléctrico . Ejemplos de medios dieléctricos son vidrio, aire, papel, plástico, cerámica e incluso una región de agotamiento de semiconductores químicamente idéntica a los conductores. De acuerdo con la ley de Coulomb, una carga en un conductor ejercerá una fuerza sobre los portadores de carga.dentro del otro conductor, atrayendo cargas 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. Los conductores mantienen así cargas iguales y opuestas en sus superficies enfrentadas, [22] y el dieléctrico desarrolla un campo eléctrico.
Un capacitor ideal se caracteriza por una capacitancia constante C , en faradios en el sistema SI de unidades, definida como la relación entre la carga positiva o negativa Q en cada conductor y el voltaje V entre ellos: [21]
Una capacitancia de un faradio (F) significa que un culombio de carga en cada conductor provoca un voltaje de un voltio en el dispositivo. [23] 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, lo que permite que el capacitor almacene más carga para un voltaje dado que cuando los conductores están separados, produciendo un mayor capacidad.
En dispositivos prácticos, la acumulación de carga a veces afecta mecánicamente al condensador, lo que hace que varíe su capacitancia. En este caso, la capacitancia se define en términos de cambios incrementales:
En la analogía hidráulica , los portadores de carga que fluyen a través de un cable son análogos al agua que fluye a través de una tubería. Un condensador es como una membrana de goma sellada dentro de una tubería. Las moléculas de agua no pueden atravesar la membrana, pero algo de agua puede moverse estirando la membrana. La analogía aclara algunos aspectos de los condensadores:
En un circuito, un capacitor puede comportarse de manera diferente en diferentes instantes de tiempo. Sin embargo, generalmente es fácil pensar en el límite de tiempo corto y el límite de tiempo largo:
El modelo más simple de un capacitor consta de dos placas conductoras paralelas delgadas, cada una con un área separada por un espacio uniforme de espesor lleno de un dieléctrico con permitividad . Se supone que el espacio es mucho más pequeño que las dimensiones de las placas. Este modelo se aplica bien a muchos capacitores prácticos que están construidos con láminas de metal separadas por una capa delgada de dieléctrico aislante, ya que los fabricantes tratan de mantener el dieléctrico de espesor muy uniforme para evitar puntos delgados que pueden causar fallas en el capacitor.
Dado que la separación entre las placas es uniforme sobre el área de la placa, el campo eléctrico entre las placas es constante y se dirige perpendicularmente a la superficie de la placa, excepto en un área cerca de los bordes de las placas donde el campo disminuye debido a las líneas del campo eléctrico " protuberancias "de los lados del condensador. Este área de "campo de borde" tiene aproximadamente el mismo ancho que la separación de la placa , y suponiendo que es pequeña en comparación con las dimensiones de la placa, es lo suficientemente pequeña como para ser ignorada. Por lo tanto, si se coloca una carga de en una placa y en la otra placa (la situación de las placas cargadas de manera desigual se analiza a continuación),la carga en cada placa se distribuirá uniformemente en una capa de carga superficial de densidad de carga constante culombios por metro cuadrado, en la superficie interior de cada plato. Según la ley de Gauss, la magnitud del campo eléctrico entre las placas es . El voltaje (diferencia) entre las placas se define como la integral de línea del campo eléctrico sobre una línea (en la dirección z) de una placa a otra
La capacitancia se define como . Sustituyendo arriba en esta ecuación
Por lo tanto, en un capacitor, la capacitancia más alta se logra con un material dieléctrico de alta permitividad , un área de placa grande y una pequeña separación entre las placas.
Dado que el área de las placas aumenta con el cuadrado de las dimensiones lineales y la separación aumenta linealmente, la capacitancia se escala con la dimensión lineal de un capacitor ( ), o como la raíz cúbica del volumen.
Un capacitor de placas paralelas solo puede almacenar una cantidad finita de energía antes de que ocurra la ruptura dieléctrica . El material dieléctrico del capacitor tiene una rigidez dieléctrica U d que establece el voltaje de ruptura del capacitor en V = V bd = U d d . Por tanto, la energía máxima que puede almacenar el condensador es
La energía máxima es función del volumen dieléctrico, la permitividad y la rigidez dieléctrica . Cambiar el área de la placa y la separación entre las placas mientras se mantiene el mismo volumen no provoca ningún cambio en la cantidad máxima de energía que puede almacenar el condensador, siempre que la distancia entre las placas sea mucho menor que la longitud y el ancho de las placas. Además, estas ecuaciones asumen que el campo eléctrico está completamente concentrado en el dieléctrico entre las placas. En realidad, hay campos periféricos fuera del dieléctrico, por ejemplo, entre los lados de las placas del condensador, que aumentan la capacitancia efectiva del condensador. Esto a veces se llama capacitancia parásita.. Para algunas geometrías de condensadores simples, este término de capacitancia adicional se puede calcular analíticamente. [24] Se vuelve insignificante cuando las relaciones entre el ancho de la placa y la separación y la longitud con respecto a la separación son grandes.
Para platos con carga desigual:
Para el número de placas en un condensador, la capacitancia total sería
donde es la capacitancia para una sola placa y es el número de placas intercaladas.
Como se muestra en la figura de la derecha, las placas intercaladas se pueden ver como placas paralelas conectadas entre sí. Cada par de placas adyacentes actúa como un condensador independiente; el número de pares es siempre uno menos que el número de placas, de ahí el multiplicador.
Para aumentar la carga y el voltaje en un capacitor, se debe trabajar con una fuente de energía externa para mover la carga de la placa negativa a la positiva contra la fuerza opuesta del campo eléctrico. [25] [26] Si el voltaje en el capacitor es , el trabajo requerido para mover un pequeño incremento de carga de la placa negativa a la positiva es . La energía se almacena en el campo eléctrico aumentado entre las placas. La energía total almacenada en un capacitor (expresada en julios ) es igual al trabajo total realizado para establecer el campo eléctrico desde un estado sin carga. [27] [26] [25]
donde está la carga almacenada en el capacitor, es el voltaje a través del capacitor y es la capacitancia. Esta energía potencial permanecerá en el condensador hasta que se elimine la carga. Si se permite que la carga retroceda de la placa positiva a la negativa, por ejemplo, conectando un circuito con resistencia entre las placas, la carga que se mueve bajo la influencia del campo eléctrico funcionará en el circuito externo.
Si el espacio entre las placas del condensador es constante, como en el modelo de placas paralelas anterior, el campo eléctrico entre las placas será uniforme (sin tener en cuenta los campos de borde) y tendrá un valor constante . En este caso, la energía almacenada se puede calcular a partir de la intensidad del campo eléctrico.
La última fórmula anterior es igual a la densidad de energía por unidad de volumen en el campo eléctrico multiplicada por el volumen de campo entre las placas, lo que confirma que la energía en el capacitor se almacena en su campo eléctrico.
La corriente I ( t ) a través de cualquier componente de un circuito eléctrico se define como la velocidad de flujo de una carga Q ( t ) que lo atraviesa, pero las cargas reales (electrones) no pueden atravesar la capa dieléctrica de un condensador. Más bien, un electrón se acumula en la placa negativa por cada uno que sale de la placa positiva, lo que resulta en un agotamiento de electrones y la consiguiente carga positiva en un electrodo que es igual y opuesto a la carga negativa acumulada en el otro. Por lo tanto, la carga de los electrodos es igual a la integral de la corriente y proporcional al voltaje, como se discutió anteriormente. Como con cualquier antiderivada , una constante de integraciónse suma para representar el voltaje inicial V ( t 0 ). Esta es la forma integral de la ecuación del condensador: [28]
Tomando la derivada de esto y multiplicando por C se obtiene la forma derivada: [29]
para C independientemente del tiempo, voltaje y carga eléctrica.
El doble del condensador es el inductor , que almacena energía en un campo magnético en lugar de en un campo eléctrico. Su relación corriente-tensión se obtiene mediante el intercambio de corriente y tensión en las ecuaciones de condensador y la sustitución de C con la inductancia L .
Un circuito en serie que contiene solo una resistencia , un condensador, un interruptor y una fuente de CC constante de voltaje V 0 se conoce como circuito de carga . [30] Si el capacitor está inicialmente descargado mientras el interruptor está abierto, y el interruptor está cerrado en t = 0 , se sigue de la ley de voltaje de Kirchhoff que
Tomando la derivada y multiplicando por C , se obtiene una ecuación diferencial de primer orden :
En t = 0, el voltaje a través del capacitor es cero y el voltaje a través de la resistencia es V 0 . La corriente inicial es entonces I (0) = V 0 / R . Con esta suposición, resolver la ecuación diferencial produce
donde τ 0 = RC, la constante de tiempo del sistema. A medida que el capacitor alcanza el equilibrio con el voltaje de la fuente, los voltajes a través de la resistencia y la corriente a través de todo el circuito decaen exponencialmente . En el caso de un capacitor que se descarga , el voltaje inicial del capacitor (V Ci ) reemplaza a V 0 . Las ecuaciones se vuelven
La impedancia , la suma vectorial de reactancia y resistencia , describe la diferencia de fase y la relación de amplitudes entre el voltaje que varía sinusoidalmente y la corriente que varía sinusoidalmente a una frecuencia dada. El análisis de Fourier permite construir cualquier señal a partir de un espectro de frecuencias, de donde se puede encontrar la reacción del circuito a las diversas frecuencias. La reactancia y la impedancia de un condensador son respectivamente
donde j es la unidad imaginaria y ω es la frecuencia angular de la señal sinusoidal. La fase - j indica que el voltaje de CA V = ZI se retrasa 90 ° con respecto a la corriente de CA: la fase de corriente positiva corresponde al aumento de voltaje a medida que se carga el capacitor; Corriente cero corresponde a voltaje constante instantáneo, etc.
La impedancia disminuye al aumentar la capacitancia y la frecuencia. [31] Esto implica que una señal de frecuencia más alta o una más grande resultados condensador en una amplitud de tensión más bajo por la amplitud de corriente - una AC "cortocircuito" o acoplamiento AC . Por el contrario, para frecuencias muy bajas, la reactancia es alta, por lo que un condensador es casi un circuito abierto en el análisis de CA; esas frecuencias se han "filtrado".
Los condensadores se diferencian de los resistores y los inductores en que la impedancia es inversamente proporcional a la característica definitoria; es decir, capacitancia .
Un capacitor conectado a una fuente de voltaje sinusoidal hace que fluya una corriente de desplazamiento a través de él. En el caso de que la fuente de voltaje sea V 0 cos (ωt), la corriente de desplazamiento se puede expresar como:
En sin (ωt) = -1, el condensador tiene una corriente máxima (o pico) en la que I 0 = ωCV 0 . La relación entre el voltaje máximo y la corriente máxima se debe a la reactancia capacitiva (indicada X C ).
X C se acerca a cero cuando ω se acerca al infinito. Si X C se acerca a 0, el capacitor se asemeja a un cable corto que pasa corriente con fuerza a altas frecuencias. X C se acerca al infinito cuando ω se acerca a cero. Si X C se acerca al infinito, el capacitor se asemeja a un circuito abierto que pasa mal las bajas frecuencias.
La corriente del condensador se puede expresar en forma de cosenos para comparar mejor con el voltaje de la fuente:
En esta situación, la corriente está desfasada con el voltaje en + π / 2 radianes o +90 grados, es decir, la corriente adelanta al voltaje en 90 °.
Cuando se usa la transformada de Laplace en el análisis de circuitos, la impedancia de un capacitor ideal sin carga inicial se representa en el dominio s por:
donde
Los condensadores reales se desvían de la ecuación del condensador ideal de varias formas. Algunos de estos, como la corriente de fuga y los efectos parásitos, son lineales, o pueden analizarse como casi lineales, y pueden tratarse agregando componentes virtuales al circuito equivalente de un capacitor ideal. A continuación, se pueden aplicar los métodos habituales de análisis de redes . [32]En otros casos, como con el voltaje de ruptura, el efecto es no lineal y no se puede utilizar el análisis de red ordinario (normal, por ejemplo, lineal), el efecto debe tratarse por separado. Hay otro grupo, que puede ser lineal pero invalida la suposición en el análisis de que la capacitancia es una constante. Un ejemplo de este tipo es la dependencia de la temperatura. Por último, los efectos parásitos combinados, como la inductancia inherente, la resistencia o las pérdidas dieléctricas, pueden presentar un comportamiento no uniforme a frecuencias de funcionamiento variables.
Por encima de una intensidad de campo eléctrico particular, conocida como rigidez dieléctrica E ds , el dieléctrico de un condensador se vuelve conductor. El voltaje al que esto ocurre se llama voltaje de ruptura del dispositivo y viene dado por el producto de la rigidez dieléctrica y la separación entre los conductores, [33]
La energía máxima que se puede almacenar de forma segura en un condensador está limitada por el voltaje de ruptura. Debido al escalado de la capacitancia y el voltaje de ruptura con el espesor dieléctrico, todos los capacitores fabricados con un dieléctrico particular tienen aproximadamente la misma densidad de energía máxima , en la medida en que el dieléctrico domina su volumen. [34]
En el caso de los condensadores dieléctricos de aire, la intensidad del campo de ruptura es del orden de 2 a 5 MV / m (o kV / mm); para la mica, la ruptura es de 100 a 300 MV / m; para aceite, 15-25 MV / m; puede ser mucho menor cuando se utilizan otros materiales para el dieléctrico. [35] El dieléctrico se utiliza en capas muy delgadas, por lo que la tensión de ruptura absoluta de los condensadores es limitada. Los valores nominales típicos de los condensadores utilizados para aplicaciones de electrónica general varían desde unos pocos voltios hasta 1 kV. A medida que aumenta el voltaje, el dieléctrico debe ser más grueso, lo que hace que los capacitores de alto voltaje sean más grandes por capacitancia que los clasificados para voltajes más bajos.
El voltaje de ruptura se ve críticamente afectado por factores como la geometría de las partes conductoras del capacitor; los bordes o puntos afilados aumentan la intensidad del campo eléctrico en ese punto y pueden provocar una avería local. Una vez que esto comienza a suceder, la avería se desplaza rápidamente a través del dieléctrico hasta que alcanza la placa opuesta, dejando carbono y provocando un circuito corto (o de resistencia relativamente baja). Los resultados pueden ser explosivos, ya que el cortocircuito en el condensador extrae corriente de los circuitos circundantes y disipa la energía. [36] Sin embargo, en condensadores con dieléctricos particulares [37] [38]y no se forman cortos de electrodos metálicos delgados después de la rotura. Ocurre porque un metal se derrite o se evapora en una vecindad de ruptura, aislándolo del resto del capacitor. [39] [40]
La ruta de ruptura habitual es que la intensidad del campo se vuelve lo suficientemente grande como para extraer electrones del dieléctrico de sus átomos, lo que provoca la conducción. Son posibles otros escenarios, como impurezas en el dieléctrico y, si el dieléctrico es de naturaleza cristalina, las imperfecciones en la estructura cristalina pueden resultar en una ruptura por avalancha como se ve en los dispositivos semiconductores. El voltaje de ruptura también se ve afectado por la presión, la humedad y la temperatura. [41]
Un condensador ideal solo almacena y libera energía eléctrica, sin disiparla. En realidad, todos los capacitores tienen imperfecciones dentro del material del capacitor que crean resistencia. Esto se especifica como la resistencia en serie equivalente o ESR de un componente. Esto agrega un componente real a la impedancia:
A medida que la frecuencia se acerca al infinito, la impedancia capacitiva (o reactancia) se acerca a cero y la ESR se vuelve significativa. A medida que la reactancia se vuelve insignificante, la disipación de potencia se aproxima a P RMS = V RMS 2 / R ESR .
De manera similar a la ESR, los cables del capacitor agregan inductancia en serie equivalente o ESL al componente. Esto suele ser significativo solo a frecuencias relativamente altas. Como la reactancia inductiva es positiva y aumenta con la frecuencia, la inductancia cancela la capacitancia por encima de cierta frecuencia. La ingeniería de alta frecuencia implica tener en cuenta la inductancia de todas las conexiones y componentes.
Si los conductores están separados por un material con una conductividad pequeña en lugar de un dieléctrico perfecto, entonces una pequeña corriente de fuga fluye directamente entre ellos. Por lo tanto, el capacitor tiene una resistencia en paralelo finita, [42] y se descarga lentamente con el tiempo (el tiempo puede variar mucho según el material y la calidad del capacitor).
El factor de calidad (o Q ) de un capacitor es la relación entre su reactancia y su resistencia a una frecuencia dada, y es una medida de su eficiencia. Cuanto mayor sea el factor Q del condensador, más se acercará al comportamiento de un condensador ideal.
El factor Q de un condensador se puede encontrar mediante la siguiente fórmula:
donde es la frecuencia angular , es la capacitancia, es la reactancia capacitiva y es la resistencia en serie equivalente (ESR) del capacitor.
La corriente de ondulación es el componente de CA de una fuente aplicada (a menudo una fuente de alimentación de modo conmutado ) cuya frecuencia puede ser constante o variable. La corriente de ondulación hace que se genere calor dentro del condensador debido a las pérdidas dieléctricas causadas por la intensidad de campo cambiante junto con el flujo de corriente a través de las líneas de suministro ligeramente resistivas o el electrolito en el condensador. La resistencia en serie equivalente (ESR) es la cantidad de resistencia en serie interna que se agregaría a un capacitor perfecto para modelar esto.
Algunos tipos de condensadores , principalmente condensadores electrolíticos de tántalo y aluminio , así como algunos condensadores de película tienen un valor nominal específico para la corriente de ondulación máxima.
La capacitancia de ciertos capacitores disminuye a medida que envejece el componente. En los condensadores cerámicos , esto se debe a la degradación del dieléctrico. El tipo de dieléctrico, las temperaturas ambientales de funcionamiento y almacenamiento son los factores de envejecimiento más importantes, mientras que el voltaje de funcionamiento suele tener un efecto menor, es decir, el diseño habitual de los condensadores es minimizar el coeficiente de voltaje. El proceso de envejecimiento se puede revertir calentando el componente por encima del punto de Curie . El envejecimiento es más rápido cerca del comienzo de la vida útil del componente y el dispositivo se estabiliza con el tiempo. [43] Los condensadores 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 generalmente se expresa 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 dispersión en el rango de coeficientes de temperatura puede abarcar cero.
Los condensadores, especialmente los condensadores cerámicos, y los diseños más antiguos, como los condensadores de papel, pueden absorber ondas sonoras y producir un efecto microfónico . La vibración mueve las placas, lo que hace que varíe la capacitancia, lo que a su vez induce corriente alterna. Algunos dieléctricos también generan piezoelectricidad . La interferencia resultante es especialmente problemática en aplicaciones de audio, y puede causar retroalimentación o grabación no deseada. En el efecto microfónico inverso, el campo eléctrico variable entre las placas del condensador ejerce una fuerza física que las mueve como un altavoz. Esto puede generar un sonido audible, pero drena energía y tensiona el dieléctrico y el electrolito, si lo hay.
La inversión de la corriente ocurre 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 menos del 100%, a menudo en el rango de 0 a 90%, mientras que los circuitos de CA experimentan una inversión del 100%.
En los circuitos de CC y los circuitos pulsados, la inversión de corriente y voltaje se ve afectada por la amortiguación del sistema. La inversión de voltaje se encuentra en circuitos RLC que están subamortigados . La corriente y el voltaje invierten la dirección, formando un oscilador armónico entre la inductancia y la capacitancia. La corriente y el voltaje tienden a oscilar y pueden invertir la dirección varias veces, siendo cada pico más bajo que el anterior, hasta que el sistema alcanza un equilibrio. Esto a menudo se conoce como timbre . En comparación, críticamente amortiguado o sobreamortiguadolos sistemas generalmente no experimentan una inversión de voltaje. La inversión también se encuentra en circuitos de CA, donde la corriente máxima es igual en cada dirección.
Para una vida útil máxima, los condensadores generalmente necesitan poder manejar la máxima cantidad de inversión que puede experimentar un sistema. Un circuito de CA experimenta una inversión de voltaje del 100%, mientras que los circuitos de CC con amortiguación insuficiente experimentan menos del 100%. La inversión crea un exceso de campos eléctricos en el dieléctrico, provoca un calentamiento excesivo tanto del dieléctrico como de los conductores y puede acortar drásticamente la esperanza de vida del condensador. Las clasificaciones de inversión a menudo afectan las consideraciones de diseño del condensador, desde la elección de los materiales dieléctricos y las clasificaciones de voltaje hasta los tipos de conexiones internas utilizadas. [44]
Los condensadores fabricados con cualquier tipo de material dieléctrico muestran algún nivel de " absorción dieléctrica " o "remojo". Al descargar un condensador y desconectarlo, después de poco tiempo puede desarrollar una tensión por histéresis en el dieléctrico. Este efecto es objetable en aplicaciones tales como circuitos de muestreo y retención de precisión o 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 que depende del tiempo. Sin embargo, el factor principal es el tipo de material dieléctrico. Los condensadores como la película de polisulfona o electrolítica de tantalio exhiben una absorción relativamente alta, mientras que el poliestireno o el teflónPermiten niveles de absorción muy pequeños. [45] En algunos capacitores donde existen voltajes y energías peligrosas, como en tubos de flash , televisores y desfibriladores , la absorción dieléctrica puede recargar el capacitor a voltajes peligrosos después de que se haya cortocircuitado o descargado. Cualquier capacitor que contenga más de 10 julios de energía generalmente se considera peligroso, mientras que 50 julios o más es potencialmente letal. Un capacitor puede recuperar entre el 0.01 y el 20% de su carga original durante un período de varios minutos, lo que permite que un capacitor aparentemente seguro se vuelva sorprendentemente peligroso. [46] [47] [48] [49] [50]
La fuga es equivalente a una resistencia en paralelo con el condensador. La exposición constante al calor puede causar una ruptura dieléctrica y una fuga excesiva, un problema que a menudo se observa en los circuitos de tubos de vacío más antiguos, particularmente donde se usaban condensadores de papel y aluminio engrasados. En muchos circuitos de tubos de vacío, los condensadores de acoplamiento entre etapas se utilizan para conducir una señal variable desde la placa de un tubo al circuito de rejilla de la siguiente etapa. Un condensador con fugas puede hacer que el voltaje del circuito de la red se eleve desde su configuración de polarización normal, provocando una corriente excesiva o una distorsión de la señal en el tubo descendente. En los amplificadores de potencia, esto puede hacer que las placas se iluminen en rojo o que las resistencias limitadoras de corriente se sobrecalienten o incluso fallen. Se aplican consideraciones similares a los amplificadores de estado sólido (transistor) fabricados por componentes,pero debido a la menor producción de calor y al uso de barreras dieléctricas de poliéster modernas, este problema que alguna vez fue común se ha vuelto relativamente raro.
Los condensadores 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 período de tiempo prolongado, puede perder su acondicionamiento . A veces fallan con un cortocircuito cuando se vuelven a operar.
Todos los condensadores tienen una vida útil variable, según su construcción, condiciones operativas y condiciones ambientales. Los condensadores cerámicos de estado sólido generalmente tienen una vida útil muy larga bajo uso normal, que depende poco de factores como la vibración o la temperatura ambiente, pero factores como la humedad, el estrés mecánico y la fatiga juegan un papel principal en su falla. Los modos de falla pueden diferir. Algunos condensadores pueden experimentar una pérdida gradual de capacitancia, un aumento de las fugas o un aumento en la resistencia en serie equivalente (ESR), mientras que otros pueden fallar repentinamente o incluso catastróficamente . Por ejemplo, los condensadores de película metálica son más propensos a sufrir daños por estrés y humedad, pero se curarán automáticamente cuando se produzca una avería en el dieléctrico. La formación de unLa descarga luminiscente en el punto de falla evita la formación de arco al vaporizar la película metálica en ese lugar, neutralizando cualquier cortocircuito con una mínima pérdida de capacitancia. Cuando se acumulan suficientes poros en la película, se produce una falla total en un condensador de película metálica, que generalmente ocurre repentinamente sin previo aviso.
Los condensadores electrolíticos generalmente tienen una vida útil más corta. Los condensadores electrolíticos se ven afectados muy poco por la vibración o la humedad, pero factores como la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento juegan un papel importante en su falla, que se produce gradualmente como un aumento de la ESR (hasta un 300%) y una disminución de hasta un 20% en capacidad. Los condensadores contienen electrolitos que eventualmente se difundirán a través de los sellos y se evaporarán. Un aumento de temperatura también aumenta la presión interna y aumenta la velocidad de reacción de los productos químicos. Por lo tanto, la vida útil de un condensador electrolítico generalmente se define mediante una modificación de la ecuación de Arrhenius , que se utiliza para determinar las velocidades de reacción química:
Los fabricantes a menudo usan esta ecuación para proporcionar una vida útil esperada, en horas, para los capacitores electrolíticos cuando se usan a la temperatura de funcionamiento diseñada, que se ve afectada por la temperatura ambiente, la ESR y la corriente de ondulación. Sin embargo, estas condiciones ideales pueden no existir en todos los usos. La regla general para predecir la vida útil en diferentes condiciones de uso está determinada por:
Esto dice que la vida del capacitor disminuye a la mitad por cada 10 grados Celsius que aumenta la temperatura, [51] donde:
Los condensadores prácticos están disponibles comercialmente en muchas formas diferentes. El tipo de dieléctrico interno, la estructura de las placas y el empaque del dispositivo afectan fuertemente las características del capacitor y sus aplicaciones.
Los valores disponibles van desde muy bajos (rango de picofaradios; mientras que en principio son posibles valores arbitrariamente bajos, la capacitancia parásita en cualquier circuito es el factor limitante) hasta supercondensadores de aproximadamente 5 kF .
Los condensadores electrolíticos de más de aproximadamente 1 microfaradio se utilizan generalmente debido a su pequeño tamaño y bajo costo en comparación con otros tipos, a menos que su estabilidad, vida y naturaleza polarizada relativamente pobres los hagan inadecuados. Los supercondensadores de muy alta capacidad utilizan un material de electrodo poroso a base de carbono.
La mayoría de los condensadores tienen un espaciador dieléctrico, que aumenta su capacitancia en comparación con el aire o el vacío. Para maximizar la carga que puede contener un capacitor, el material dieléctrico debe tener una permitividad tan alta como sea posible, mientras que también debe tener un voltaje de ruptura tan alto como sea posible. El dieléctrico también debe tener una pérdida de frecuencia lo más baja posible.
Sin embargo, los condensadores de bajo valor están disponibles con un vacío entre sus placas para permitir una operación de voltaje extremadamente alto y bajas pérdidas. Los condensadores variables con sus placas abiertas a la atmósfera se usaban comúnmente en circuitos de sintonización de radio. Los diseños posteriores utilizan dieléctrico de lámina de polímero entre las placas móviles y estacionarias, sin un espacio de aire significativo entre las placas.
Se encuentran disponibles varios dieléctricos sólidos, que incluyen papel , plástico , vidrio , mica y cerámica . [14]
El papel se utilizó ampliamente en condensadores más antiguos y ofrece un rendimiento de voltaje relativamente alto. Sin embargo, el papel absorbe la humedad y ha sido reemplazado en gran medida por condensadores de película plástica .
La mayoría de las películas de plástico que se utilizan actualmente ofrecen una mejor estabilidad y rendimiento frente al envejecimiento que los dieléctricos más antiguos, como el papel engrasado, lo que los hace útiles en los circuitos de temporizadores, aunque pueden estar limitados a temperaturas y frecuencias de funcionamiento relativamente bajas , debido a las limitaciones del plástico. película que se está utilizando. Los condensadores de película plástica grandes se utilizan ampliamente en circuitos de supresión, circuitos de arranque de motores y circuitos de corrección del factor de potencia .
Los condensadores cerámicos son generalmente pequeños, baratos y útiles para aplicaciones de alta frecuencia, aunque su capacitancia varía mucho con el voltaje y la temperatura y envejecen poco. También pueden sufrir el efecto piezoeléctrico. Los condensadores cerámicos se clasifican ampliamente como dieléctricos de clase 1 , que tienen una variación predecible de capacitancia con la temperatura o dieléctricos de clase 2 , que pueden funcionar a un voltaje más alto. Las cerámicas multicapa modernas suelen ser bastante pequeñas, pero algunos tipos tienen tolerancias de valor inherentemente amplias, problemas microfónicos y, por lo general, son físicamente frágiles.
Los capacitores de vidrio y mica son extremadamente confiables, estables y tolerantes a altas temperaturas y voltajes, pero son demasiado costosos para la mayoría de las aplicaciones principales.
Los condensadores y supercondensadores electrolíticos se utilizan para almacenar cantidades pequeñas y grandes de energía, respectivamente, los condensadores cerámicos se utilizan a menudo en resonadores y la capacitancia parásita se produce en los circuitos donde la estructura simple conductor-aislante-conductor se forma involuntariamente por la configuración del diseño del circuito. .
Los condensadores electrolíticos utilizan una placa de aluminio o tantalio con una capa dieléctrica de óxido. El segundo electrodo es un electrolito líquido , conectado al circuito por otra placa de aluminio. Los condensadores electrolíticos ofrecen una capacitancia muy alta pero adolecen de malas tolerancias, alta inestabilidad, pérdida gradual de capacitancia, especialmente cuando se someten a calor, y alta corriente de fuga. Condensadores de mala calidadpuede derramar electrolito, que es dañino para las placas de circuito impreso. La conductividad del electrolito cae a bajas temperaturas, lo que aumenta la resistencia en serie equivalente. Aunque se utilizan ampliamente para acondicionamiento de fuentes de alimentación, las características deficientes de alta frecuencia las hacen inadecuadas para muchas aplicaciones. Los condensadores electrolíticos sufren de autodegradación si no se utilizan durante un período (alrededor de un año), y cuando se aplica la máxima potencia pueden producir un cortocircuito, dañando permanentemente el condensador y, por lo general, fundiendo un fusible o provocando fallas en los diodos rectificadores. Por ejemplo, en equipos más antiguos, esto puede causar arcos en los tubos rectificadores. Se pueden restaurar antes de su uso aplicando gradualmente el voltaje de funcionamiento, a menudo realizado en un tubo de vacío antiguoequipo durante un período de treinta minutos utilizando un transformador variable para suministrar energía CA. El uso de esta técnica puede ser menos satisfactorio para algunos equipos de estado sólido, que pueden resultar dañados por el funcionamiento por debajo de su rango de potencia normal, requiriendo que la fuente de alimentación se aísle primero de los circuitos consumidores. Es posible que tales soluciones no sean aplicables a las fuentes de alimentación modernas de alta frecuencia, ya que producen un voltaje de salida completo incluso con una entrada reducida. [ cita requerida ]
Los condensadores de tantalio ofrecen mejores características de frecuencia y temperatura que el aluminio, pero mayor absorción dieléctrica y fugas. [52]
Los condensadores de polímero (OS-CON, OC-CON, KO, AO) utilizan polímero conductor sólido (o semiconductor orgánico polimerizado) como electrolito y ofrecen una vida útil más larga y una ESR másbajaa un costo más alto que los condensadores electrolíticos estándar.
Un capacitor de paso es un componente que, aunque no sirve como su uso principal, tiene capacitancia y se usa para conducir señales a través de una hoja conductora.
Hay varios otros tipos de condensadores disponibles para aplicaciones especializadas. Los supercondensadores almacenan grandes cantidades de energía. Los supercondensadores hechos de aerogel de carbono, nanotubos de carbono o materiales de electrodos altamente porosos ofrecen una capacitancia extremadamente alta (hasta 5 kF a partir de 2010 [update]) y se pueden usar en algunas aplicaciones en lugar de baterías recargables . Los condensadores de corriente alterna están diseñados específicamente para funcionar en circuitos de alimentación de CA de voltaje de línea (red). Se utilizan comúnmente en motores eléctricos.circuitos y a menudo están diseñados para manejar grandes corrientes, por lo que tienden a ser físicamente grandes. Por lo general, están empaquetados de manera resistente, a menudo en cajas de metal que se pueden conectar a tierra fácilmente. También están diseñados con voltajes de ruptura de corriente continua de al menos cinco veces el voltaje CA máximo.
La constante dieléctrica para varios dieléctricos muy útiles cambia en función del campo eléctrico aplicado, por ejemplo , materiales ferroeléctricos , por lo que la capacitancia para estos dispositivos es más compleja. Por ejemplo, al cargar un condensador de este tipo, el aumento diferencial de voltaje con la carga se rige por:
donde la dependencia del voltaje de la capacitancia, C ( V ), sugiere que la capacitancia es una función de la intensidad del campo eléctrico, que en un dispositivo de placa paralela de área grande está dada por ε = V / d . Este campo polariza el dieléctrico, polarización que, en el caso de un ferroeléctrico, es una función no lineal en forma de S del campo eléctrico, que, en el caso de un dispositivo de placas paralelas de área grande, se traduce en una capacitancia que es una función no lineal. del voltaje. [53] [54]
Correspondiente a la capacitancia dependiente del voltaje, para cargar el capacitor al voltaje V se encuentra una relación integral:
que está de acuerdo con Q = CV sólo cuando C no depende de la tensión V .
De la misma manera, la energía almacenada en el condensador ahora viene dada por
Integrando:
donde se utiliza intercambio del orden de integración .
La capacitancia no lineal de una sonda de microscopio escaneada a lo largo de una superficie ferroeléctrica se utiliza para estudiar la estructura del dominio de los materiales ferroeléctricos. [55]
Otro ejemplo de capacitancia dependiente de voltaje ocurre en dispositivos semiconductores como diodos semiconductores , donde la dependencia del voltaje no se deriva de un cambio en la constante dieléctrica sino de una dependencia del voltaje del espacio entre las cargas en los dos lados del capacitor. [56] Este efecto se explota intencionalmente en dispositivos similares a diodos conocidos como varicaps .
Si un capacitor se activa con un voltaje variable en el tiempo que cambia lo suficientemente rápido, a alguna frecuencia la polarización del dieléctrico no puede seguir el voltaje. Como ejemplo del origen de este mecanismo, los dipolos microscópicos internos que contribuyen a la constante dieléctrica no pueden moverse instantáneamente, por lo que a medida que aumenta la frecuencia de un voltaje alterno aplicado, la respuesta del dipolo es limitada y la constante dieléctrica disminuye. Una constante dieléctrica cambiante con la frecuencia se denomina dispersión dieléctrica y se rige por procesos de relajación dieléctrica , como la relajación de Debye . En condiciones transitorias, el campo de desplazamiento se puede expresar como (ver susceptibilidad eléctrica ):
indicando el retraso en la respuesta por la dependencia del tiempo de ε r , calculado en principio a partir de un análisis microscópico subyacente, por ejemplo, del comportamiento del dipolo en el dieléctrico. Ver, por ejemplo, función de respuesta lineal . [57] [58] La integral se extiende a lo largo de toda la historia pasada hasta la actualidad. Una transformada de Fourier en el tiempo da como resultado:
donde ε r ( ω ) es ahora una función compleja , con una parte imaginaria relacionada con la absorción de energía del campo por el medio. Ver permitividad . La capacitancia, al ser proporcional a la constante dieléctrica, también presenta este comportamiento de frecuencia. Fourier transforma la ley de Gauss con esta forma de campo de desplazamiento:
donde j es la unidad imaginaria , V ( ω ) es el componente de voltaje a la frecuencia angular ω , G ( ω ) es la parte real de la corriente, llamada conductancia , y C ( ω ) determina la parte imaginaria de la corriente y es la capacitancia . Z ( ω ) es la impedancia compleja.
Cuando un capacitor de placas paralelas se llena con un dieléctrico, la medición de las propiedades dieléctricas del medio se basa en la relación:
donde un primo simple denota la parte real y un primo doble la parte imaginaria, Z ( ω ) es la impedancia compleja con el dieléctrico presente, C cmplx ( ω ) es la llamada capacitancia compleja con el dieléctrico presente, y C 0 es la capacitancia sin el dieléctrico. [59] [60] (La medición "sin el dieléctrico" en principio significa la medición en el espacio libre , un objetivo inalcanzable en la medida en que se predice que incluso el vacío cuántico exhibirá un comportamiento no ideal, como el dicroísmo. A efectos prácticos, cuando se tienen en cuenta los errores de medición, a menudo una medición en el vacío terrestre, o simplemente un cálculo de C 0 , es suficientemente precisa. [61] )
Usando este método de medición, la constante dieléctrica puede exhibir una resonancia en ciertas frecuencias correspondientes a las frecuencias de respuesta características (energías de excitación) de los contribuyentes a la constante dieléctrica. Estas resonancias son la base de una serie de técnicas experimentales para detectar defectos. El método de conductancia mide la absorción en función de la frecuencia. [62] Alternativamente, la respuesta de tiempo de la capacitancia se puede utilizar directamente, como en la espectroscopia transitoria de nivel profundo . [63]
Otro ejemplo de capacitancia dependiente de la frecuencia ocurre con los capacitores MOS , donde la generación lenta de portadoras minoritarias significa que a altas frecuencias la capacitancia mide solo la respuesta de la portadora mayoritaria, mientras que a bajas frecuencias ambos tipos de portadora responden. [56] [64]
En las frecuencias ópticas, en los semiconductores, la constante dieléctrica exhibe una estructura relacionada con la estructura de banda del sólido. Los métodos sofisticados de medición de espectroscopía de modulación basados en modular la estructura cristalina por presión o por otras tensiones y observar los cambios relacionados en la absorción o reflexión de la luz han avanzado nuestro conocimiento de estos materiales. [sesenta y cinco]
La disposición de las placas y el dieléctrico tiene muchas variaciones en diferentes estilos dependiendo de las clasificaciones deseadas del condensador. Para valores pequeños de capacitancia (microfaradios y menos), los discos de cerámica utilizan recubrimientos metálicos, con conductores de alambre unidos al recubrimiento. Se pueden obtener valores más grandes mediante múltiples pilas de placas y discos. Los condensadores de mayor valor suelen utilizar una lámina de metal o una capa de película metálica depositada en la superficie de una película dieléctrica para hacer las placas, y una película dieléctrica de papel o plástico impregnado , que se enrollan para ahorrar espacio. Para reducir la resistencia y la inductancia en serie de las placas largas, las placas y el dieléctrico están escalonados de modo que la conexión se realice en el borde común de las placas enrolladas, no en los extremos de la lámina o las tiras de película metalizada que componen las placas.
El conjunto está revestido para evitar que la humedad entre en el dieléctrico; los primeros equipos de radio utilizaban un tubo de cartón sellado con cera. Los condensadores dieléctricos modernos de papel o película se sumergen en un termoplástico duro. Los condensadores grandes para uso de alto voltaje pueden tener la forma de rollo comprimida para encajar en una caja metálica rectangular, con terminales atornillados y bujes para las conexiones. El dieléctrico de los condensadores más grandes suele estar impregnado de un líquido para mejorar sus propiedades.
Los condensadores pueden tener sus cables de conexión dispuestos en muchas configuraciones, por ejemplo, axial o radialmente. "Axial" significa que los cables están en un eje común, típicamente el eje del cuerpo cilíndrico del capacitor; los cables se extienden desde extremos opuestos. Las derivaciones radiales rara vez se alinean a lo largo de los radios del círculo del cuerpo, por lo que el término es convencional. Los cables (hasta que se doblan) suelen estar en planos paralelos al del cuerpo plano del condensador y se extienden en la misma dirección; a menudo son paralelos a la fabricación.
Los condensadores cerámicos discoidales pequeños y baratos han existido desde la década de 1930 en adelante y siguen siendo de uso generalizado. Después de la década de 1980, se han utilizado ampliamente los paquetes de montaje en superficie para condensadores. Estos paquetes son extremadamente pequeños y carecen de cables de conexión, lo que les permite soldarse directamente sobre la superficie de las placas de circuito impreso . Los componentes de montaje en superficie evitan efectos indeseables de alta frecuencia debido a los cables y simplifican el montaje automatizado, aunque el manejo manual se dificulta debido a su pequeño tamaño.
Los condensadores variables controlados mecánicamente permiten ajustar la separación de las placas, por ejemplo, girando o deslizando un conjunto de placas móviles para alinearlo con un conjunto de placas fijas. Los condensadores variables de bajo costo aprietan juntas capas alternas de aluminio y plástico con un tornillo . El control eléctrico de la capacitancia se puede lograr con varactores (o varicaps), que son diodos semiconductores con polarización inversa cuyo ancho de la región de agotamiento varía con el voltaje aplicado. Se utilizan en bucles de bloqueo de fase , entre otras aplicaciones.
La mayoría de los condensadores tienen designaciones impresas en sus cuerpos para indicar sus características eléctricas. Los condensadores más grandes, como los tipos electrolíticos, suelen mostrar la capacitancia como un valor con una unidad explícita, por ejemplo, 220 μF . Los condensadores más pequeños, como los de tipo cerámico, utilizan una notación abreviada que consta de tres dígitos y una letra, donde los dígitos ( XYZ ) denotan la capacitancia en picofaradios (pF), calculada como XY × 10 Z , y la letra indica la tolerancia. Las tolerancias comunes son ± 5%, ± 10% y ± 20%, que se indican como J, K y M, respectivamente.
Un capacitor también puede estar etiquetado con su voltaje de trabajo, temperatura y otras características relevantes.
Por razones tipográficas, algunos fabricantes imprimen MF en condensadores para indicar microfaradios (μF). [66]
Un capacitor etiquetado o designado como 473K 330V tiene una capacitancia de 47 × 10 3 pF = 47 nF (± 10%) con un voltaje de trabajo máximo de 330 V. El voltaje de trabajo de un capacitor es nominalmente el voltaje más alto que se puede aplicar a través de sin riesgo indebido de romper la capa dieléctrica.
La notación para indicar el valor de un condensador en un diagrama de circuito varía. El código RKM que sigue a IEC 60062 y BS 1852 evita el uso de un separador decimal y reemplaza el separador decimal con el símbolo del prefijo SI para el valor particular (y la letra F para el peso 1). Ejemplo: 4n7 para 4,7 nF o 2F2 para 2,2 F.
En textos anteriores a la década de 1960 y en algunos paquetes de condensadores hasta más recientemente, [14] se utilizaron unidades de capacitancia obsoletas en libros electrónicos, [67] revistas y catálogos de electrónica. [68] Las antiguas unidades "mfd" y "mf" significaban microfaradios (μF); y las unidades antiguas "mmfd", "mmf", "uuf", "μμf", "pfd" significaban picofaradio (pF); pero ya rara vez se utilizan. [69] Además, "Micromicrofarad" o "micro-microfarad" son unidades obsoletas que se encuentran en algunos textos más antiguos y que son equivalentes a picofarad (pF). [67]
Resumen de unidades de capacitancia obsoletas: (no se muestran las variaciones entre mayúsculas y minúsculas)
Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando se desconecta de su circuito de carga, por lo que puede usarse como una batería temporal o como otros tipos de sistema de almacenamiento de energía recargable . [70] Los condensadores se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos para mantener el suministro de energía mientras se cambian las baterías. (Esto evita la pérdida de información en la memoria volátil).
Un condensador puede facilitar la conversión de energía cinética de partículas cargadas en energía eléctrica y almacenarla. [71]
Los condensadores convencionales proporcionan menos de 360 julios por kilogramo de energía específica , mientras que una batería alcalina convencional tiene una densidad de 590 kJ / kg. Existe una solución intermedia: los supercondensadores , que pueden aceptar y entregar la carga mucho más rápido que las baterías y tolerar muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables. Sin embargo, son 10 veces más grandes que las baterías convencionales para una carga determinada. Por otro lado, se ha demostrado que la cantidad de carga almacenada en la capa dieléctrica del condensador de película delgada puede ser igual o incluso superior a la cantidad de carga almacenada en sus placas. [72]
En los sistemas de audio para automóviles , los condensadores grandes almacenan energía para que el amplificador la utilice a demanda. Además, para un tubo de flash , se usa un condensador para mantener el alto voltaje .
En la década de 1930, John Atanasoff aplicó el principio de almacenamiento de energía en condensadores para construir memorias digitales dinámicas para las primeras computadoras binarias que usaban tubos de electrones para la lógica. [73]
Se utilizan grupos de condensadores de alto voltaje de baja inductancia, construidos especialmente, ( bancos de condensadores ) para suministrar grandes pulsos de corriente para muchas aplicaciones de potencia pulsada . Estos incluyen formación electromagnética , generadores Marx , láseres pulsados (especialmente láseres TEA ), redes de formación de pulsos , radar , investigación de fusión y aceleradores de partículas .
Los grandes bancos de condensadores (depósitos) se utilizan como fuentes de energía para los detonadores de alambre de puente que explotan o los detonadores de aplastamiento en armas nucleares y otras armas especiales. El trabajo experimental está en marcha el uso de bancos de condensadores como fuentes de energía para la armadura electromagnética y electromagnéticos railguns y coilguns .
Los condensadores de depósito se utilizan en fuentes de alimentación donde suavizan la salida de un rectificador de onda completa o media . También se pueden utilizar en circuitos de bombas de carga como elemento de almacenamiento de energía en la generación de voltajes más altos que el voltaje de entrada.
Los condensadores se conectan en paralelo con los circuitos de alimentación de la mayoría de los dispositivos electrónicos y sistemas más grandes (como las fábricas) para desviar y ocultar las fluctuaciones de corriente de la fuente de alimentación primaria para proporcionar una fuente de alimentación "limpia" para los circuitos de señal o control. El equipo de audio, por ejemplo, usa varios capacitores de esta manera, para desviar el zumbido de la línea eléctrica antes de que ingrese al circuito de señal. Los condensadores actúan como una reserva local para la fuente de alimentación de CC y derivan las corrientes de CA de la fuente de alimentación. Esto se utiliza en aplicaciones de audio para automóviles, cuando un capacitor de refuerzo compensa la inductancia y la resistencia de los cables a la batería de plomo-ácido del automóvil .
En la distribución de energía eléctrica, los condensadores se utilizan para la corrección del factor de potencia . Estos condensadores a menudo vienen como tres condensadores conectados como una carga trifásica . Normalmente, los valores de estos condensadores no se dan en faradios sino como potencia reactiva en voltios-amperios reactivos (var). El propósito es contrarrestar la carga inductiva de dispositivos como motores eléctricos y líneas de transmisión para hacer que la carga parezca ser principalmente resistiva. Las cargas individuales de motores o lámparas pueden tener condensadores para la corrección del factor de potencia, o se pueden instalar conjuntos más grandes de condensadores (generalmente con dispositivos de conmutación automática) en un centro de carga dentro de un edificio o en una gran subestación de servicios públicos .
Debido a que los capacitores pasan CA pero bloquean las señales de CC (cuando se cargan hasta el voltaje de CC aplicado), a menudo se usan para separar los componentes de CA y CC de una señal. Este método se conoce como acoplamiento de CA o "acoplamiento capacitivo". Aquí, se emplea un gran valor de capacitancia, cuyo valor no necesita ser controlado con precisión, pero cuya reactancia es pequeña a la frecuencia de la señal.
Un condensador de desacoplamiento es un condensador que se utiliza para proteger una parte de un circuito del efecto de otro, por ejemplo, para suprimir el ruido o los transitorios. El ruido causado por otros elementos del circuito se deriva a través del condensador, lo que reduce el efecto que tienen en el resto del circuito. Se usa más comúnmente entre la fuente de alimentación y la tierra. Un nombre alternativo es condensador de derivación, ya que se utiliza para derivar la fuente de alimentación u otro componente de alta impedancia de un circuito.
Los condensadores de desacoplamiento no siempre tienen que ser componentes discretos. Los condensadores utilizados en estas aplicaciones pueden integrarse en una placa de circuito impreso , entre las diversas capas. Suelen denominarse condensadores integrados. [74] Las capas de la placa que contribuyen a las propiedades capacitivas también funcionan como planos de potencia y de tierra, y tienen un dieléctrico entre ellos, lo que les permite funcionar como un condensador de placas paralelas.
Cuando se abre un circuito inductivo, la corriente a través de la inductancia colapsa rápidamente, creando un gran voltaje en el circuito abierto del interruptor o relé. Si la inductancia es lo suficientemente grande, la energía puede generar una chispa, lo que hace que los puntos de contacto se oxiden, se deterioren o, a veces, se suelden o destruyan un interruptor de estado sólido. Un condensador amortiguador a través del circuito recién abierto crea un camino para que este impulso pase por alto los puntos de contacto, preservando así su vida; estos se encuentran comúnmente en los sistemas de encendido de interruptores de contacto , por ejemplo. De manera similar, en circuitos de menor escala, la chispa puede no ser suficiente para dañar el interruptor, pero aún puede irradiar interferencias de radiofrecuencia no deseadas.(RFI), que absorbe un condensador de filtro . Los condensadores amortiguadores se emplean generalmente con una resistencia de bajo valor en serie, para disipar energía y minimizar la RFI. Estas combinaciones de resistor-condensador están disponibles en un solo paquete.
Los condensadores también se utilizan en paralelo con las unidades de interrupción de un interruptor de circuito de alto voltaje para distribuir equitativamente el voltaje entre estas unidades. Estos se denominan "condensadores de clasificación".
En los diagramas esquemáticos, un condensador utilizado principalmente para el almacenamiento de carga de CC a menudo se dibuja verticalmente en los diagramas de circuito con la placa inferior, más negativa, dibujada como un arco. La placa recta indica el terminal positivo del dispositivo, si está polarizado (ver condensador electrolítico ).
En los motores de jaula de ardilla monofásicos, el devanado primario dentro de la carcasa del motor no es capaz de iniciar un movimiento de rotación en el rotor, pero es capaz de sostenerlo. Para arrancar el motor, un devanado de "arranque" secundario tiene un condensador de arranque no polarizado en seriepara introducir un cable en la corriente sinusoidal. Cuando el devanado secundario (de inicio) se coloca en un ángulo con respecto al devanado primario (de ejecución), se crea un campo eléctrico giratorio. La fuerza del campo rotacional no es constante, pero es suficiente para que el rotor comience a girar. Cuando el rotor se acerca a la velocidad de funcionamiento, un interruptor centrífugo (o un relé sensible a la corriente en serie con el devanado principal) desconecta el condensador. El condensador de arranque normalmente se monta al costado de la carcasa del motor. Estos se denominan motores de arranque por condensador, que tienen un par de arranque relativamente alto. Por lo general, pueden tener hasta cuatro veces más par de arranque que un motor de fase dividida y se utilizan en aplicaciones como compresores, lavadoras a presión y cualquier dispositivo pequeño que requiera pares de arranque altos.
Los motores de inducción con funcionamiento por condensador tienen un condensador de desplazamiento de fase conectado permanentemente en serie con un segundo devanado. El motor es muy parecido a un motor de inducción de dos fases.
Los condensadores de arranque del motor son típicamente tipos electrolíticos no polarizados, mientras que los condensadores de funcionamiento son tipos dieléctricos convencionales de papel o película plástica.
La energía almacenada en un condensador se puede utilizar para representar información , ya sea en forma binaria, como en DRAM , o en forma analógica, como en filtros de muestreo analógicos y CCD . Los condensadores se pueden utilizar en circuitos analógicos como componentes de integradores o filtros más complejos y en la estabilización de bucle de retroalimentación negativa . Los circuitos de procesamiento de señales también utilizan condensadores para integrar una señal de corriente.
Los condensadores y los inductores se aplican juntos en circuitos sintonizados para seleccionar información en bandas de frecuencia particulares. Por ejemplo, los receptores de radio dependen de capacitores variables para sintonizar la frecuencia de la estación. Los altavoces utilizan cruces analógicos pasivos y los ecualizadores analógicos utilizan condensadores para seleccionar diferentes bandas de audio.
La frecuencia de resonancia f de un circuito sintonizado es una función de la inductancia ( L ) y la capacitancia ( C ) en serie, y está dada por:
donde L está en henries y C está en faradios.
La mayoría de los condensadores están diseñados para mantener una estructura física fija. Sin embargo, varios factores pueden cambiar la estructura del condensador y el cambio resultante en la capacitancia se puede utilizar para detectar esos factores.
Cambio de dieléctrico:
Cambiar la distancia entre las placas:
Cambiar el área efectiva de las placas:
Un capacitor puede poseer cualidades similares a un resorte en un circuito oscilador. En el ejemplo de la imagen, un capacitor actúa para influir en el voltaje de polarización en la base del transistor npn. Los valores de resistencia de las resistencias divisoras de voltaje y el valor de capacitancia del capacitor juntos controlan la frecuencia oscilatoria.
Un capacitor emisor de luz está hecho de un dieléctrico que usa fosforescencia para producir luz. Si una de las placas conductoras está fabricada con un material transparente, la luz es visible. Los condensadores emisores de luz se utilizan en la construcción de paneles electroluminiscentes, para aplicaciones como la retroiluminación de ordenadores portátiles. En este caso, todo el panel es un condensador que se utiliza para generar luz.
Los peligros que plantea un condensador suelen estar determinados, sobre todo, por la cantidad de energía almacenada, que es la causa de cosas como quemaduras eléctricas o fibrilación cardíaca . Factores como el voltaje y el material del chasis son de consideración secundaria, que están más relacionados con la facilidad con la que se puede iniciar una descarga que con la cantidad de daño que puede ocurrir. [50]Bajo ciertas condiciones, incluida la conductividad de las superficies, las condiciones médicas preexistentes, la humedad del aire o las vías que recorre el cuerpo (es decir, los choques que viajan a través del núcleo del cuerpo y, especialmente, el corazón, son más peligrosos que los limitados a las extremidades), se ha informado que descargas de tan solo un julio causan la muerte, aunque en la mayoría de los casos ni siquiera dejan una quemadura. Las descargas de más de diez julios generalmente dañan la piel y, por lo general, se consideran peligrosas. Cualquier capacitor que pueda almacenar 50 julios o más debe considerarse potencialmente letal. [76] [50]
Los condensadores pueden retener una carga mucho tiempo después de que se desconecta la alimentación de un circuito; esta carga puede provocar descargas eléctricas peligrosas o incluso potencialmente mortales o dañar el equipo conectado. Por ejemplo, incluso un dispositivo aparentemente inocuo, como una unidad de flash de cámara desechable, que funciona con una batería AA de 1,5 voltios , tiene un condensador que puede contener más de 15 julios de energía y cargarse a más de 300 voltios. Esto es fácilmente capaz de producir una descarga. Los procedimientos de servicio para dispositivos electrónicos generalmente incluyen instrucciones para descargar condensadores grandes o de alto voltaje, por ejemplo, usando una varilla Brinkley.. Los condensadores también pueden tener resistencias de descarga incorporadas para disipar la energía almacenada a un nivel seguro en unos pocos segundos después de que se corta la energía. Los condensadores de alto voltaje se almacenan con los terminales en corto , como protección contra voltajes potencialmente peligrosos debido a la absorción dieléctrica o de voltajes transitorios que el condensador puede captar de cargas estáticas o eventos climáticos pasajeros. [50]
Algunos condensadores grandes de papel o de película de plástico viejos y llenos de aceite contienen bifenilos policlorados (PCB). Se sabe que los PCB de desecho pueden filtrarse al agua subterránea debajo de los vertederos . Los condensadores que contienen PCB se etiquetaron como que contienen "Askarel" y varios otros nombres comerciales. Los condensadores de papel rellenos de PCB se encuentran en balastos de lámparas fluorescentes muy antiguos (anteriores a 1975) y en otras aplicaciones.
Los capacitores pueden fallar catastróficamente cuando se someten a voltajes o corrientes más allá de su capacidad nominal, o cuando alcanzan su final de vida normal. Las fallas de interconexión dieléctricas o metálicas pueden crear un arco eléctrico que vaporice el fluido dieléctrico, dando como resultado abultamiento, ruptura o incluso una explosión . Condensadores utilizados en RFo las aplicaciones de alta corriente sostenidas pueden sobrecalentarse, especialmente en el centro de los rodillos del condensador. Los condensadores utilizados dentro de los bancos de condensadores de alta energía pueden explotar violentamente cuando un cortocircuito en un condensador provoca un vertido repentino de la energía almacenada en el resto del banco en la unidad defectuosa. Los condensadores de vacío de alto voltaje pueden generar rayos X suaves incluso durante el funcionamiento normal. La contención, la fusión y el mantenimiento preventivo adecuados pueden ayudar a minimizar estos peligros.
Los condensadores de alto voltaje pueden beneficiarse de una precarga para limitar las corrientes de entrada en el encendido de los circuitos de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Esto prolonga la vida útil del componente y puede mitigar los peligros de alto voltaje.
Condensadores electrolíticos hinchados: el diseño especial de la parte superior de los condensadores les permite ventilar en lugar de estallar violentamente.
Este condensador de alta energía de un desfibrilador tiene una resistencia conectada entre los terminales por seguridad, para disipar la energía almacenada.
La falla catastrófica de un capacitor ha dispersado fragmentos de papel y láminas metálicas
Después del descubrimiento de Volta de la celda electroquímica en 1800, el término se aplicó a un grupo de celdas electroquímicas.
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