Condensador

Componente electrónico pasivo de dos terminales que almacena energía eléctrica en un campo eléctrico.

En ingeniería eléctrica , un condensador es un dispositivo que almacena energía eléctrica acumulando cargas eléctricas en dos superficies muy espaciadas y aisladas entre sí. Es un componente electrónico pasivo con dos terminales .

El efecto de un condensador se conoce como capacitancia . Si bien existe cierta capacitancia entre dos conductores eléctricos próximos en un circuito , un capacitor es un componente diseñado para agregar capacitancia a un circuito. El condensador se conocía originalmente como condensador , ^[1] un término que todavía se encuentra en algunos nombres compuestos, como el micrófono de condensador .

La forma física y la construcción de los condensadores prácticos varían ampliamente y se utilizan comúnmente muchos tipos de condensadores . La mayoría de los condensadores contienen al menos dos conductores eléctricos , a menudo en forma de placas o superficies metálicas separadas por un medio dieléctrico . Un conductor puede ser una lámina, una película delgada, una perla de metal sinterizada 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 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 sí 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 capacitor, por ejemplo cuando un capacitor se conecta a través de una batería, se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que hace que se acumule una carga neta positiva en una placa y una carga neta negativa. cargo para cobrar 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, la corriente a través del circuito fuente cesa. Si se aplica un voltaje variable en el tiempo a través de los cables del capacitor, la fuente experimenta una corriente continua debido a los ciclos de carga y descarga del capacitor.

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 llegaron a ser conocidos como frascos de Leyden . Hoy en día, los condensadores se utilizan ampliamente 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 potencia. ^[2] La propiedad del almacenamiento de energía en los condensadores se explotó como memoria dinámica en las primeras computadoras digitales, ^[3] y todavía lo es en la DRAM moderna .

Historia

Batería de cuatro tinajas de Leyden en el Museo Boerhaave , Leiden , Países Bajos

En octubre de 1745, Ewald Georg von Kleist de Pomerania , Alemania, descubrió que se podía almacenar carga conectando un generador electrostático de alto voltaje mediante un cable a un volumen de agua contenido en un frasco de vidrio portátil. ^[4] La mano de Von Kleist y el agua actuaron como conductores y la jarra como dieléctrico (aunque los detalles del mecanismo fueron identificados incorrectamente en ese momento). Von Kleist descubrió que tocar el cable generaba una poderosa chispa, mucho más dolorosa que la obtenida con 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 la Universidad de Leiden donde trabajaba. ^[5] También quedó impresionado por el poder del shock que recibió, y escribió: "No aceptaría un segundo shock por el reino de Francia". ^[6]

Daniel Gralath fue el primero en combinar varios recipientes en paralelo para aumentar la capacidad de almacenamiento de carga. ^[7] Benjamín Franklin investigó la jarra de Leyden y llegó a la conclusión de que la carga estaba almacenada en el vaso, no en el agua como otros habían supuesto. También adoptó el término "batería", ^{[8] [9]} (que denota el aumento de potencia con una fila de unidades similares a las de una batería de cañón ), aplicándose posteriormente a grupos de celdas electroquímicas . ^[10] Los frascos de Leyden se fabricaron más tarde cubriendo el interior y el exterior de los frascos con láminas de metal, dejando un espacio en la boca para evitar la formación de arcos entre las láminas. ^{[ cita requerida ]} La primera unidad de capacitancia fue la jarra , equivalente a aproximadamente 1,11 nanofaradios . ^[11]

Los frascos de Leyden o dispositivos más potentes que empleaban placas de vidrio planas alternadas 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 paso constante hacia frecuencias más altas requería condensadores con menor inductancia . Se empezaron a utilizar métodos de construcción más compactos, como una lámina dieléctrica flexible (como papel engrasado) intercalada entre láminas de lámina metálica, enrollada o doblada en un paquete pequeño.

Anuncio de la edición del 28 de diciembre de 1923 de The Radio Times para condensadores Dubilier, para uso en receptores inalámbricos

Los primeros condensadores se conocían como condensadores , un término que todavía se utiliza ocasionalmente hoy en día, particularmente en aplicaciones de alta potencia, como los sistemas automotrices. El término fue utilizado por primera vez con este propósito por Alessandro Volta en 1782, en referencia a la capacidad del dispositivo para almacenar una mayor densidad de carga eléctrica de la que era posible con un conductor aislado. ^{[12] [1]} El término quedó obsoleto debido al significado ambiguo de condensador de vapor , y condensador se convirtió en el término recomendado en el Reino Unido a partir de 1926, ^[13] mientras que el cambio se produjo considerablemente más tarde en los Estados Unidos.

Desde los inicios del estudio de la electricidad , se han utilizado como aislantes materiales no conductores como el vidrio , la porcelana , el papel y la mica . Décadas más tarde, estos materiales también eran adecuados para su uso como dieléctrico de los primeros condensadores. Los condensadores de papel, fabricados intercalando una tira de papel impregnado entre tiras de metal y enrollando el resultado en un cilindro, se usaban comúnmente a finales del siglo XIX; su fabricación se inició en 1876, ^[14] y fueron utilizados desde principios del siglo XX como condensadores de desacoplamiento en telefonía .

En los primeros condensadores cerámicos se utilizó porcelana . En los primeros años de los aparatos de transmisión inalámbrica de Marconi , se utilizaban condensadores de porcelana para aplicaciones de alto voltaje y alta frecuencia en los transmisores . En el lado del receptor se utilizaron condensadores de mica más pequeños para circuitos resonantes . Los condensadores de mica fueron inventados en 1909 por William Dubilier. Antes de la Segunda Guerra Mundial, la mica era el dieléctrico más común para los condensadores en los Estados Unidos. ^[14]

Charles Pollak (nacido Karol Pollak ), el inventor de los primeros condensadores electrolíticos , descubrió que la capa de óxido de un ánodo de aluminio permanecía estable en un electrolito neutro o alcalino , incluso cuando se desconectaba la energía. En 1896 se le concedió la patente estadounidense nº 672.913 para un "condensador líquido eléctrico con electrodos de aluminio". Los condensadores de tantalio de electrolito sólido fueron inventados por Bell Laboratories a principios de la década de 1950 como un condensador de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar su transistor recién inventado .

Con el desarrollo de materiales plásticos por parte de los químicos orgánicos durante la Segunda Guerra Mundial , la industria de los condensadores comenzó a sustituir el papel por películas poliméricas más delgadas. Uno de los primeros avances en condensadores de película se describió en la patente británica 587.953 de 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 porosos". ^{[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. Como entonces no conocía el mecanismo de doble capa, escribió en la patente: "No se sabe exactamente qué ocurre en el componente si se utiliza para almacenar energía, pero esto conduce a una capacidad extremadamente alta. "

El condensador semiconductor de óxido metálico ( condensador MOS ) se origina a partir de 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 condensador MOS fue ampliamente adoptado como condensador de almacenamiento en chips de memoria y como bloque de construcción básico de la carga. dispositivo acoplado (CCD) en tecnología de sensor de imagen . ^[19] En la memoria dinámica de acceso aleatorio ( DRAM ), cada celda de memoria normalmente consta de un condensador MOSFET y MOS. ^[20]

Teoría de operación

Descripción general

La separación de carga en un condensador de placas paralelas provoca un campo eléctrico interno. Un dieléctrico (naranja) reduce el campo y aumenta la capacitancia.

Un condensador de demostración simple hecho de dos placas metálicas paralelas, que utiliza un entrehierro como dieléctrico.

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 el vidrio, el aire, el papel, el plástico, la cerámica e incluso una región de agotamiento de semiconductores químicamente idéntica a los conductores. Según 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. De este modo, los conductores mantienen cargas iguales y opuestas en sus superficies enfrentadas, ^[22] y el dieléctrico desarrolla un campo eléctrico.

Un condensador ideal se caracteriza por una capacitancia constante C , en faradios en el sistema de unidades SI , definida como la relación entre la carga positiva o negativa Q en cada conductor y el voltaje V entre ellos: ^[21]

$${\displaystyle C={\frac {Q}{V}}}$$

faradioculombiovoltio^[23]

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

$${\displaystyle C={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} V}}}$$

Analogía hidráulica

En la analogía hidráulica , un condensador es análogo a una membrana de goma sellada dentro de una tubería; esta animación ilustra una membrana que el flujo de agua estira y deshace repetidamente, lo que es análogo a un condensador que el flujo carga y descarga repetidamente. de cargo.

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 parte del agua puede moverse estirando la membrana. El diferencial de presión es análogo al voltaje, mientras que la tasa de flujo es análoga a la corriente eléctrica:

• La corriente altera la carga de un condensador : del mismo modo que el flujo de agua cambia la posición de la membrana. Más específicamente, el efecto de una corriente eléctrica es aumentar la carga de una placa del condensador y disminuir la carga de la otra placa en una cantidad igual. Esto es igual que cuando el flujo de agua mueve la membrana de goma, aumenta la cantidad de agua en un lado de la membrana y disminuye la cantidad de agua en el otro lado.
• Cuanto más se carga un condensador, mayor es su caída de voltaje : a medida que la membrana se estira, permitiendo que fluya más agua desde el lado de alta presión, la membrana "empuja" contra la corriente de carga, aumentando el diferencial de presión entre los dos lados.
• La carga puede fluir "a través" de un condensador aunque ningún electrón individual pueda pasar de un lado al otro. A medida que fluye más agua hacia el lado de alta presión, la membrana en expansión empuja una cantidad igual de agua hacia afuera del lado de baja presión. El flujo no puede continuar en la misma dirección para siempre; el condensador experimenta una ruptura dieléctrica y, de manera análoga, la membrana eventualmente se romperá.
• La capacitancia describe cuánta carga se puede almacenar en una placa de un capacitor para una caída de voltaje determinada. La elasticidad de la membrana es análoga a la capacitancia. Una membrana muy elástica y flexible se expandirá más con un diferencial de presión determinado, permitiendo que fluya un mayor volumen de agua hacia el lado de alta presión. Esto corresponde a una capacitancia mayor que una membrana rígida.
• Un condensador cargado almacena energía potencial , de forma análoga a una membrana estirada.

Equivalencia de circuito en límite de tiempo corto y límite de tiempo largo

En un circuito, un condensador puede comportarse de manera diferente en diferentes instantes de tiempo. Sin embargo, suele ser fácil pensar en el límite de corto plazo y el límite de largo plazo:

• En el límite de tiempo prolongado, después de que la corriente de carga/descarga haya saturado el capacitor, no entrará (ni saldrá) corriente por ninguno de los lados del capacitor; Por lo tanto, la equivalencia a largo plazo de un condensador es un circuito abierto.
• En el límite de tiempo corto, si el capacitor arranca con un cierto voltaje V, dado que la caída de voltaje en el capacitor se conoce en este instante, podemos reemplazarlo con una fuente de voltaje ideal de voltaje V. Específicamente, si V=0 ( El condensador está descargado), la equivalencia de corto tiempo de un condensador es un cortocircuito.

Condensador de placas paralelas

El modelo de condensador de placas paralelas consta de dos placas conductoras, cada una de área A , separadas por un espacio de espesor d que contiene un dieléctrico.

Un condensador de montaje en superficie. Las placas, no visibles, están colocadas horizontalmente entre capas dieléctricas cerámicas y se conectan alternativamente a cualquiera de las tapas extremas, que son visibles.

El modelo más simple de un capacitor consta de dos delgadas placas conductoras paralelas, cada una con un área separada por un espacio uniforme de espesor lleno con un dieléctrico de permitividad . Se supone que el espacio es mucho menor que las dimensiones de las placas. Este modelo se aplica bien a muchos condensadores prácticos que están construidos con láminas de metal separadas por una fina capa de dieléctrico aislante, ya que los fabricantes intentan mantener el espesor del dieléctrico muy uniforme para evitar puntos finos que puedan provocar fallos en el condensador. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \varepsilon }$ ${\displaystyle d}$

Dado que la separación entre las placas es uniforme sobre el área de la placa, el campo eléctrico entre las placas es constante y está dirigido perpendicularmente a la superficie de la placa, excepto en un área cerca de los bordes de las placas donde el campo disminuye debido a que las líneas del campo eléctrico " sobresalir" de los lados del condensador. Esta área de "campo marginal" tiene aproximadamente el mismo ancho que la separación de la placa, y suponiendo que sea pequeña en comparación con las dimensiones de la placa, es lo suficientemente pequeña como para ignorarla. Por lo tanto, si se coloca una carga en una placa y en la otra placa (la situación para placas con carga 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 placa. 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. ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle +Q}$ ${\displaystyle -Q}$ ${\displaystyle \sigma =\pm Q/A}$ ${\displaystyle E=\sigma /\varepsilon }$ ${\displaystyle V}$

$${\displaystyle V=\int _{0}^{d}E(z)\,\mathrm {d} z=Ed={\frac {\sigma }{\varepsilon }}d={\frac {Qd}{\varepsilon A}}}$$

${\displaystyle C=Q/V}$ ${\displaystyle V}$

${\displaystyle C={\frac {\varepsilon A}{d}}}$

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 aumenta con la dimensión lineal de un capacitor ( ), o como la raíz cúbica del volumen. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle C\varpropto L}$

Un condensador de placas paralelas sólo puede almacenar una cantidad finita de energía antes de que se produzca una 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 el condensador puede almacenar es

$${\displaystyle E={\frac {1}{2}}CV^{2}={\frac {1}{2}}{\frac {\varepsilon A}{d}}\left(U_{d}d\right)^{2}={\frac {1}{2}}\varepsilon AdU_{d}^{2}}$$

La energía máxima es función del volumen dieléctrico, la permitividad y la rigidez dieléctrica . Cambiar el área de las placas y la separación entre las placas mientras se mantiene el mismo volumen no provoca ningún cambio en la cantidad máxima de energía que el capacitor puede almacenar, siempre que la distancia entre las placas siga siendo mucho menor que la longitud y el ancho de las placas. Además, estas ecuaciones suponen que el campo eléctrico está completamente concentrado en el dieléctrico entre las placas. En realidad, existen campos marginales fuera del dieléctrico, por ejemplo entre los lados de las placas del capacitor, que aumentan la capacitancia efectiva del capacitor. A esto a veces se le llama capacitancia parásita . Para algunas geometrías de capacitores 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 placas cargadas de manera desigual:

• Si una placa está cargada mientras la otra está cargada con , y si ambas placas están separadas de otros materiales en el ambiente, entonces la superficie interna de la primera placa tendrá carga y la superficie interna de la segunda tendrá carga. ^{[ cita necesaria ]} Por lo tanto, el voltaje entre las placas es . Tenga en cuenta que la superficie exterior de ambas placas tendrá , pero esas cargas no afectan el voltaje entre las placas. ${\displaystyle Q_{1}}$ ${\displaystyle Q_{2}}$ ${\textstyle {\frac {Q_{1}-Q_{2}}{2}}}$ ${\textstyle -{\frac {Q_{1}-Q_{2}}{2}}}$ ${\displaystyle V}$ ${\textstyle V={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{2C}}}$ ${\textstyle {\frac {Q_{1}+Q_{2}}{2}}}$
• Si una placa se carga mientras la otra se carga con , y si la segunda placa está conectada a tierra, entonces la superficie interior de la primera placa tendrá , y la superficie interior de la segunda placa tendrá . Por tanto, el voltaje entre las placas es . Tenga en cuenta que la superficie exterior de ambas placas tendrá carga cero. ${\displaystyle Q_{1}}$ ${\displaystyle Q_{2}}$ ${\displaystyle Q_{1}}$ ${\displaystyle -Q_{1}}$ ${\displaystyle V}$ ${\textstyle V={\frac {Q_{1}}{C}}}$

Condensador entrelazado

El condensador entrelazado puede verse como una combinación de varios condensadores conectados en paralelo.

Para el número de placas en un capacitor, la capacitancia total sería ${\displaystyle n}$

$${\displaystyle C=\varepsilon _{o}{\frac {A}{d}}(n-1)}$$

${\displaystyle C=\varepsilon _{o}A/d}$ ${\displaystyle n}$

Como se muestra en la figura de la derecha, las placas intercaladas pueden verse 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. ${\displaystyle (n-1)}$

Energía almacenada en un condensador.

Para aumentar la carga y el voltaje en un capacitor, una fuente de energía externa debe realizar trabajo 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 condensador (expresada en julios ) es igual al trabajo total realizado para establecer el campo eléctrico desde un estado descargado. ^{[27] [26] [25]} ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle dW}$ ${\displaystyle dq}$ ${\displaystyle dW=Vdq}$ ${\displaystyle W}$

$${\displaystyle W=\int _{0}^{Q}V(q)\,\mathrm {d} q=\int _{0}^{Q}{\frac {q}{C}}\,\mathrm {d} q={\frac {1}{2}}{\frac {Q^{2}}{C}}={\frac {1}{2}}VQ={\frac {1}{2}}CV^{2}}$$

${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle C}$

Si el espacio entre las placas del capacitor es constante, como en el modelo de placas paralelas anterior, el campo eléctrico entre las placas será uniforme (despreciando los campos marginales) y tendrá un valor constante . En este caso, la energía almacenada se puede calcular a partir de la intensidad del campo eléctrico. ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle E=V/d}$

$${\displaystyle W={\frac {1}{2}}CV^{2}={\frac {1}{2}}{\frac {\varepsilon A}{d}}\left(Ed\right)^{2}={\frac {1}{2}}\varepsilon AdE^{2}={\frac {1}{2}}\varepsilon E^{2}({\text{volume of electric field}})}$$

Relación corriente-voltaje

La corriente I ( t ) que atraviesa cualquier componente de un circuito eléctrico se define como la velocidad del flujo de una carga Q ( t ) que lo atraviesa. Las cargas reales (electrones) no pueden atravesar la capa dieléctrica de un condensador ideal (los condensadores reales tienen una pequeña corriente de fuga dieléctrica ). 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 opuesta a la carga negativa acumulada en el otro. Por tanto, la carga de los electrodos es igual a la integral de la corriente y también proporcional al voltaje, como se analizó anteriormente. Como ocurre con cualquier antiderivada , se agrega una constante de integración para representar el voltaje inicial V ( t ₀ ). Esta es la forma integral de la ecuación del capacitor: ^[28]

$${\displaystyle V(t)={\frac {Q(t)}{C}}=V(t_{0})+{\frac {1}{C}}\int _{t_{0}}^{t}I(\tau )\,\mathrm {d} \tau }$$

Tomando la derivada de esto y multiplicando por C se obtiene la forma derivada: ^[29]

$${\displaystyle I(t)={\frac {\mathrm {d} Q(t)}{\mathrm {d} t}}=C{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}}$$

C

El dual del condensador es el inductor , que almacena energía en un campo magnético en lugar de un campo eléctrico. Su relación corriente-voltaje se obtiene intercambiando corriente y voltaje en las ecuaciones del capacitor y reemplazando C con la inductancia  L.

circuitos CC

Un circuito simple de resistencia y capacitor demuestra la carga de un capacitor.

Un circuito en serie que contiene sólo una resistencia , un condensador, un interruptor y una fuente 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 deduce de la ley de voltaje de Kirchhoff que

$${\displaystyle V_{0}=v_{\text{resistor}}(t)+v_{\text{capacitor}}(t)=i(t)R+{\frac {1}{C}}\int _{t_{0}}^{t}i(\tau )\,\mathrm {d} \tau }$$

Tomando la derivada y multiplicando por C , se obtiene una ecuación diferencial de primer orden :

$${\displaystyle RC{\frac {\mathrm {d} i(t)}{\mathrm {d} t}}+i(t)=0}$$

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 este supuesto, al resolver la ecuación diferencial se obtiene

$${\displaystyle {\begin{aligned}I(t)&={\frac {V_{0}}{R}}e^{-t/\tau _{0}}\\V(t)&=V_{0}\left(1-e^{-t/\tau _{0}}\right)\\Q(t)&=CV_{0}\left(1-e^{-t/\tau _{0}}\right)\end{aligned}}}$$

τ ₀ = RCconstante de tiempodecaen exponencialmenteen descargaV _Cia V ₀

$${\displaystyle {\begin{aligned}I(t)&={\frac {V_{Ci}}{R}}e^{-t/\tau _{0}}\\V(t)&=V_{Ci}\,e^{-t/\tau _{0}}\\Q(t)&=C\,V_{Ci}\,e^{-t/\tau _{0}}\end{aligned}}}$$

circuitos de CA

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 determinada. 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 distintas frecuencias. La reactancia y la impedancia de un condensador son respectivamente

$${\displaystyle {\begin{aligned}X&=-{\frac {1}{\omega C}}=-{\frac {1}{2\pi fC}}\\Z&={\frac {1}{j\omega C}}=-{\frac {j}{\omega C}}=-{\frac {j}{2\pi fC}}\end{aligned}}}$$

junidad imaginariaωfrecuencia angular− jV = ZI

La impedancia disminuye al aumentar la capacitancia y la frecuencia. ^[31] Esto implica que una señal de mayor frecuencia o un condensador más grande da como resultado una amplitud de voltaje más baja por amplitud de corriente: un "cortocircuito" de CA o acoplamiento de CA. Por el contrario, para frecuencias muy bajas, la reactancia es alta, de modo que un condensador es casi un circuito abierto en el análisis de CA; esas frecuencias han sido "filtradas".

Los condensadores se diferencian de las resistencias y los inductores en que la impedancia es inversamente proporcional a la característica que los define; es decir, capacitancia .

Un capacitor conectado a una fuente de voltaje sinusoidal hace que una corriente de desplazamiento fluya a través de él. En el caso de que la fuente de tensión sea V ₀ cos(ωt), la corriente de desplazamiento se puede expresar como:

$${\displaystyle I=C{\frac {dV}{dt}}=-\omega {C}{V_{0}}\sin(\omega t)}$$

En sin( ωt ) = −1 , el capacitor tiene una corriente máxima (o pico) por la cual I ₀ = ωCV ₀ . La relación entre el voltaje máximo y la corriente máxima se debe a la reactancia capacitiva (denotada como XC ₎ .

$${\displaystyle X_{C}={\frac {V_{0}}{I_{0}}}={\frac {V_{0}}{\omega CV_{0}}}={\frac {1}{\omega C}}}$$

X _C se acerca a cero cuando ω se acerca al infinito. Si X _C se acerca a 0, el condensador se parece a un cable corto por el 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 condensador se parece a un circuito abierto que pasa mal las bajas frecuencias.

La corriente del condensador se puede expresar en forma de cosenos para compararla mejor con el voltaje de la fuente:

$${\displaystyle I=-I_{0}\sin({\omega t})=I_{0}\cos({\omega t}+{90^{\circ }})}$$

En esta situación, la corriente está desfasada con respecto al voltaje en +π/2 radianes o +90 grados, es decir, la corriente se adelanta al voltaje en 90°.

Análisis de circuitos de Laplace (dominio s)

Cuando se utiliza la transformada de Laplace en el análisis de circuitos, la impedancia de un condensador ideal sin carga inicial se representa en el dominio s por:

$${\displaystyle Z(s)={\frac {1}{sC}}}$$

• C es la capacitancia, y
• s es la frecuencia compleja.

Análisis de circuitos

Para condensadores en paralelo

Varios condensadores en paralelo.

Ilustración de la conexión en paralelo de dos condensadores.

Los condensadores en una configuración en paralelo tienen cada uno el mismo voltaje aplicado. Sus capacitancias se suman. El cargo se reparte entre ellos por tamaño. Usando el diagrama esquemático para visualizar placas paralelas, es evidente que cada capacitor contribuye al área de superficie total.

$${\displaystyle C_{\mathrm {eq} }=\sum _{i}C_{i}=C_{1}+C_{2}+\cdots +C_{n}}$$

Para condensadores en serie

Varios condensadores en serie.

Ilustración de la conexión en serie de dos condensadores.

Conectados en serie, el diagrama esquemático revela que la distancia de separación, no el área de la placa, suma. Cada uno de los condensadores almacena una acumulación de carga instantánea igual a la de todos los demás condensadores de la serie. La diferencia de voltaje total de un extremo a otro se distribuye entre cada capacitor de acuerdo con la inversa de su capacitancia. Toda la serie actúa como un condensador más pequeño que cualquiera de sus componentes.

$${\displaystyle {\frac {1}{C_{\mathrm {eq} }}}=\sum _{i}{\frac {1}{C_{i}}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{C_{n}}}}$$

Los condensadores se combinan en serie para lograr un voltaje de trabajo más alto, por ejemplo para suavizar una fuente de alimentación de alto voltaje. Las clasificaciones de voltaje, que se basan en la separación de placas, se suman si las corrientes de capacitancia y fuga de cada capacitor son idénticas. En una aplicación de este tipo, en ocasiones, las cadenas en serie se conectan en paralelo, formando una matriz. El objetivo es maximizar el almacenamiento de energía de la red sin sobrecargar ningún condensador. Para el almacenamiento de alta energía con capacitores en serie, se deben aplicar algunas consideraciones de seguridad para garantizar que la falla de un capacitor y la fuga de corriente no aplique demasiado voltaje a los otros capacitores en serie.

La conexión en serie también se utiliza a veces para adaptar condensadores electrolíticos polarizados para uso de CA bipolar.

Distribución de tensión en redes paralelo a serie.

Para modelar la distribución de voltajes de un solo capacitor cargado conectado en paralelo a una cadena de capacitores en serie : ${\displaystyle \left(A\right)}$ ${\displaystyle \left(B_{\text{n}}\right)}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\text{(volts)}}A_{\mathrm {eq} }&=A\left(1-{\frac {1}{n+1}}\right)\\{\text{(volts)}}B_{\text{1..n}}&={\frac {A}{n}}\left(1-{\frac {1}{n+1}}\right)\\A-B&=0\end{aligned}}}$$

Nota: Esto sólo es correcto si todos los valores de capacitancia son iguales.

La potencia transferida en este arreglo es:

$${\displaystyle P={\frac {1}{R}}\cdot {\frac {1}{n+1}}A_{\text{volts}}\left(A_{\text{farads}}+B_{\text{farads}}\right)}$$

Comportamiento no ideal

En la práctica, los condensadores se desvían de la ecuación del condensador ideal en varios aspectos. Algunos de ellos, como la corriente de fuga y los efectos parásitos, son lineales o pueden analizarse como casi lineales y pueden explicarse añadiendo componentes virtuales al circuito equivalente de un condensador ideal. Luego 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 el análisis de red ordinario (normal, por ejemplo, lineal) no se puede utilizar; el efecto debe considerarse por separado. Aún puede existir otro grupo de artefactos, incluida la dependencia de la temperatura, que puede ser lineal pero invalida la suposición en el análisis de que la capacitancia es una constante. Finalmente, los efectos parásitos combinados, como la inductancia inherente, la resistencia o las pérdidas dieléctricas, pueden exhibir un comportamiento no uniforme en diferentes frecuencias de operación.

Cortocircuito

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]

$${\displaystyle V_{\text{bd}}=E_{\text{ds}}d}$$

La energía máxima que se puede almacenar de forma segura en un condensador está limitada por el voltaje de ruptura. Debido al escalamiento de la capacitancia y el voltaje de ruptura con el espesor del dieléctrico, todos los capacitores fabricados con un dieléctrico particular tienen una densidad de energía máxima aproximadamente igual , en la medida en que el dieléctrico domina su volumen. ^[34]

Para 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, el desglose es de 100 a 300 MV/m; para petróleo, 15–25 MV/m; puede ser mucho menor cuando se utilizan otros materiales para el dieléctrico. ^[35] El dieléctrico se utiliza en capas muy finas, por lo que la tensión de ruptura absoluta de los condensadores es limitada. Las clasificaciones típicas 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 afectado críticamente por factores como la geometría de las partes conductoras del capacitor; Los bordes o puntas afiladas aumentan la intensidad del campo eléctrico en ese punto y pueden provocar una avería local. Una vez que esto comienza a suceder, la descomposición avanza rápidamente a través del dieléctrico hasta llegar a la placa opuesta, dejando carbón detrás 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 electrodos metálicos delgados no se forman cortocircuitos después de la rotura. Ocurre porque un metal se funde o se evapora en las proximidades de una avería, aislándolo del resto del condensador. ^{[39] [40]}

La ruta de ruptura habitual es que la intensidad del campo se vuelve lo suficientemente grande como para extraer los electrones del dieléctrico de sus átomos, provocando así 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 provocar una ruptura por avalancha como se observa en los dispositivos semiconductores. El voltaje de ruptura también se ve afectado por la presión, la humedad y la temperatura. ^[41]

Circuito equivalente

Modelo de condensador real que suma una inductancia y resistencia en serie y una conductancia en paralelo a su capacitancia. Su impedancia total es: ${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{\Sigma }&{=}Z_{\text{ESL}}+R_{\text{lead}}+(Z_{\text{C}}\parallel G_{\text{dielectric}})\\&{=}j\omega \cdot {\text{ESL}}+R_{\text{lead}}+{\frac {1}{j\omega \cdot C+G_{\text{dielectric}}}}.\end{aligned}}}$

Un condensador ideal sólo almacena y libera energía eléctrica, sin disipación. En la práctica, los capacitores tienen imperfecciones dentro de los materiales del capacitor que resultan en los siguientes componentes parásitos: ^[42]

• ${\displaystyle {\text{ESL}}}$, la inductancia en serie equivalente , debido a los cables. Esto suele ser significativo sólo en frecuencias relativamente altas.
• Dos resistencias que añaden un componente de valor real a la impedancia total, que desperdician energía:
  • ${\displaystyle R_{\text{lead}}}$, una pequeña resistencia en serie en los cables . Se vuelve más relevante a medida que aumenta la frecuencia.
  • ${\displaystyle G_{\text{dielectric}}}$, una conductancia pequeña (o recíprocamente, una resistencia grande) en paralelo con la capacitancia, para tener en cuenta el material dieléctrico imperfecto. Esto provoca una pequeña corriente de fuga a través del dieléctrico (consulte § Fuga) ^[43] que descarga lentamente el condensador con el tiempo. Esta conductancia domina la resistencia total a frecuencias muy bajas. Su valor varía mucho según el material y la calidad del condensador. ^{[ cita necesaria ]}

Modelo de serie RLC simplificado

Modelo de condensador serie RLC simplificado . Su impedancia total equivalente es: ${\displaystyle j\omega \cdot {\text{ESL}}+{\text{ESR}}-{\frac {j}{\omega \cdot C}}.}$

Gráfico de magnitud de Bode de voltajes en un circuito RLC. La frecuencia es relativa a la frecuencia natural ω ₀ . (Su relación de amortiguación ζ y ω ₀ dependería del condensador en particular). Las frecuencias más bajas son más capacitivas. Alrededor de ω ₀ , la impedancia total y la caída de voltaje son principalmente resistivas. Las frecuencias más altas son más inductivas.

A medida que aumenta la frecuencia, la impedancia capacitiva (una reactancia negativa) se reduce, por lo que la conductancia del dieléctrico se vuelve menos importante y los componentes en serie se vuelven más significativos. Por lo tanto, un modelo en serie RLC simplificado válido para un amplio rango de frecuencia simplemente trata al capacitor como si estuviera en serie con una inductancia en serie equivalente y una resistencia en serie equivalente dependiente de la frecuencia, que varía poco con la frecuencia. A diferencia del modelo anterior, este modelo no es válido en CC y en frecuencias muy bajas donde sea relevante. ${\displaystyle {\text{ESL}}}$ ${\displaystyle {\text{ESR}}}$ ${\displaystyle G_{\text{dielectric}}}$

La reactancia inductiva aumenta con la frecuencia. Debido a que su signo es positivo, contrarresta la capacitancia.

A la frecuencia natural del circuito RLC , la inductancia cancela perfectamente la capacitancia, por lo que la reactancia total es cero. Dado que la impedancia total en es solo el valor real de , la disipación de potencia promedio alcanza su máximo de ${\displaystyle \omega _{0}{=}{\tfrac {1}{\sqrt {{\text{ESL}}\cdot {\text{C}}}}}}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle {\text{ESR}}}$V _RMS ²/ESR, donde V _RMS es el voltaje cuadrático medio (RMS) a través del capacitor.

A frecuencias aún más altas domina la impedancia inductiva, por lo que el condensador se comporta indeseablemente como un inductor. La ingeniería de alta frecuencia implica tener en cuenta la inductancia de todas las conexiones y componentes.

factor q

Para un modelo simplificado de un capacitor como capacitor ideal en serie con una resistencia en serie equivalente , el factor de calidad del capacitor (o Q ) es la relación entre la magnitud de su reactancia capacitiva y su resistencia a una frecuencia dada : ${\displaystyle {\text{ESR}}}$ ${\displaystyle X_{C}}$ ${\displaystyle \omega }$

$${\displaystyle Q(\omega )={\frac {|X_{C}(\omega )|}{\text{ESR}}}={\frac {1}{\omega C\cdot {\text{ESR}}}}\,.}$$

El factor Q es una medida de su eficiencia: cuanto mayor es el factor Q del condensador, más se acerca al comportamiento de un condensador ideal. El factor de disipación es su recíproco.

Corriente de rizado

La corriente ondulada 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 ondulada hace que se genere calor dentro del capacitor debido a las pérdidas dieléctricas causadas por el cambio de intensidad del campo junto con el flujo de corriente a través de las líneas de suministro ligeramente resistivas o el electrolito en el capacitor. 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 tantalio y aluminio , así como algunos condensadores de película, tienen un valor nominal específico para la corriente de rizado máxima.

• Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido de dióxido de manganeso están limitados por la corriente ondulada y generalmente tienen las clasificaciones ESR más altas de la familia de condensadores. Exceder sus límites de ondulación puede provocar cortocircuitos y piezas quemadas.
• Los condensadores electrolíticos de aluminio, el tipo más común de electrolítico, sufren una reducción de su esperanza de vida con corrientes de ondulación más altas. Si la corriente de rizado excede el valor nominal del capacitor, tiende a provocar una falla explosiva.
• Los condensadores cerámicos generalmente no tienen limitación de corriente de rizado ^{[ cita necesaria ]} y tienen algunas de las clasificaciones de ESR más bajas.
• Los condensadores de película tienen clasificaciones de ESR muy bajas, pero exceder la corriente de rizado nominal puede provocar fallas de degradación.

inestabilidad de capacitancia

La capacitancia de ciertos condensadores disminuye a medida que el componente envejece. En los condensadores cerámicos , esto se debe a la degradación del dieléctrico. El tipo de dieléctrico, las temperaturas ambiente de funcionamiento y de almacenamiento son los factores de envejecimiento más importantes, mientras que la tensión de funcionamiento suele tener un efecto menor, es decir, el diseño habitual del condensador es minimizar el coeficiente de tensión. El proceso de envejecimiento se puede revertir 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. ^[44] 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 capacitancia con la temperatura 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 temperaturas extremas. El coeficiente de temperatura puede ser positivo o negativo, dependiendo principalmente del material dieléctrico. Algunos, denominados C0G/NP0, pero llamados NPO , tienen un coeficiente algo negativo a una temperatura, positivo a otra y cero en el medio. Dichos componentes pueden especificarse para circuitos de temperatura crítica. ^[45]

Los condensadores, especialmente los de cerámica, y los diseños más antiguos, como los de papel, pueden absorber ondas sonoras, lo que produce 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 provocar retroalimentación o grabaciones no deseadas. En el efecto microfónico inverso, el campo eléctrico variable entre las placas del condensador ejerce una fuerza física, moviéndolas como un altavoz. Esto puede generar un sonido audible, pero drena energía y estresa el dieléctrico y el electrolito, si lo hay.

Inversión de corriente y voltaje.

La inversión de corriente ocurre cuando la corriente cambia de dirección. La inversión de voltaje es el cambio de polaridad en un circuito. La inversión generalmente se describe como el porcentaje del voltaje nominal máximo 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 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 subamortiguados . 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 su dirección varias veces, siendo cada pico más bajo que el anterior, hasta que el sistema alcanza el equilibrio. A esto se le suele denominar timbre . En comparación, los sistemas críticamente amortiguados o sobreamortiguados no suelen experimentar una inversión de tensión. La inversión también se encuentra en circuitos de CA, donde la corriente máxima es igual en cada dirección.

Para obtener la máxima vida útil, los condensadores generalmente deben 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 subamortiguados experimentan menos del 100%. La inversión crea campos eléctricos excesivos 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 capacitor, desde la elección de materiales dieléctricos y clasificaciones de voltaje hasta los tipos de conexiones internas utilizadas. ^[46]

Absorción dieléctrica

Los condensadores fabricados con cualquier tipo de material dieléctrico muestran algún nivel de " absorción dieléctrica " ​​o "empapado". Al descargar un condensador y desconectarlo, al poco tiempo puede desarrollar una tensión debido a la 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 los electrolíticos de tantalio o las películas de polisulfona exhiben una absorción relativamente alta, mientras que el poliestireno o el teflón permiten niveles de absorción muy pequeños. ^[47] En algunos condensadores donde existen voltajes y energías peligrosas, como en tubos de flash , televisores , hornos microondas y desfibriladores , la absorción dieléctrica puede recargar el condensador a voltajes peligrosos después de que se haya cortocircuitado o descargado. Cualquier condensador que contenga más de 10 julios de energía generalmente se considera peligroso, mientras que 50 julios o más es potencialmente letal. Un condensador puede recuperar entre el 0,01 y el 20% de su carga original en un período de varios minutos, lo que permite que un condensador aparentemente seguro se vuelva sorprendentemente peligroso. ^{[48] ​​[49] [50] [51] [52]}

Fuga

La fuga equivale a una resistencia en paralelo con el condensador. La exposición constante al calor puede causar ruptura dieléctrica y fugas excesivas, un problema que se observa a menudo en circuitos de tubos de vacío más antiguos, particularmente donde se usaban condensadores de papel y láminas engrasados. En muchos circuitos de tubos de vacío, se utilizan condensadores de acoplamiento entre etapas 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 aumente con respecto a su configuración de polarización normal, provocando una corriente excesiva o una distorsión de la señal en el tubo aguas abajo. 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 (transistores) fabricados con componentes, pero debido a la menor producción de calor y al uso de modernas barreras dieléctricas de poliéster, este problema que alguna vez fue común se ha vuelto relativamente raro.

Fallo electrolítico por desuso

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 largo período de tiempo puede perder su acondicionamiento . A veces fallan con un cortocircuito cuando se vuelven a operar.

Esperanza de vida

Todos los condensadores tienen diferentes vidas útiles, según su construcción, condiciones operativas y condiciones ambientales. Los condensadores cerámicos de estado sólido generalmente tienen una vida útil muy larga en condiciones de uso normal, lo que depende poco de factores como la vibración o la temperatura ambiente, pero factores como la humedad, el estrés mecánico y la fatiga desempeñan un papel principal en su falla. Los modos de falla pueden diferir. Algunos condensadores pueden experimentar una pérdida gradual de capacitancia, un aumento de fugas o un aumento de 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 autocuran cuando se produce una falla en el dieléctrico. La formación de una descarga luminosa en el punto de falla evita la formación de arcos al vaporizar la película metálica en ese punto, neutralizando cualquier cortocircuito con una pérdida mínima de capacitancia. Cuando se acumulan suficientes poros en la película, se produce una falla total en un capacitor de película metálica, que generalmente ocurre de repente y sin previo aviso.

Los condensadores electrolíticos suelen tener la vida útil más corta. Los condensadores electrolíticos se ven muy poco afectados por la vibración o la humedad, pero factores como la temperatura ambiente y de funcionamiento desempeñan un papel importante en su fallo, que se produce gradualmente como un aumento de la ESR (hasta un 300%) y una disminución de hasta un 20% en la 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 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:

$${\displaystyle L=Be^{\frac {e_{A}}{kT_{o}}}}$$

Los fabricantes suelen utilizar esta ecuación para proporcionar una vida útil esperada, en horas, para los condensadores electrolíticos cuando se utilizan a su temperatura de funcionamiento diseñada, que se ve afectada tanto por la temperatura ambiente, la ESR y la corriente de rizado. Sin embargo, es posible que estas condiciones ideales no se den en todos los usos. La regla general para predecir la vida útil en diferentes condiciones de uso está determinada por:

$${\displaystyle L_{a}=L_{0}2^{\frac {T_{0}-T_{a}}{10}}}$$

Esto dice que la vida útil del capacitor disminuye a la mitad por cada 10 grados Celsius que aumenta la temperatura, ^[53] donde:

• ${\displaystyle L_{0}}$es la vida nominal en condiciones nominales, por ejemplo, 2000 horas
• ${\displaystyle T_{0}}$es la temperatura operativa máxima/mínima nominal
• ${\displaystyle T_{a}}$es la temperatura operativa promedio
• ${\displaystyle L_{a}}$es la vida útil esperada en determinadas condiciones

Tipos de condensadores

Los condensadores prácticos están disponibles comercialmente en muchas formas diferentes. El tipo de dieléctrico interno, la estructura de las placas y el embalaje del dispositivo afectan fuertemente las características del condensador y sus aplicaciones.

Los valores disponibles varían desde muy bajos (rango de picofaradios; si bien en principio son posibles valores arbitrariamente bajos, la capacitancia parásita (parásita) en cualquier circuito es el factor limitante) hasta aproximadamente 5 kF para supercondensadores .

Generalmente se utilizan condensadores electrolíticos de aproximadamente 1 microfaradio debido a su pequeño tamaño y bajo costo en comparación con otros tipos, a menos que su estabilidad relativamente pobre, su vida útil y su naturaleza polarizada los hagan inadecuados. Los supercondensadores de muy alta capacidad utilizan un material de electrodo poroso a base de carbono.

Materiales dieléctricos

Materiales de condensadores. De izquierda a derecha: cerámica multicapa, disco cerámico, película de poliéster multicapa, cerámica tubular, poliestireno, película de poliéster metalizado, electrolítico de aluminio. Las divisiones de escala mayor están en centímetros.

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 condensador, el material dieléctrico debe tener una permitividad lo más alta posible, y al mismo tiempo un voltaje de ruptura lo más alto posible. El dieléctrico también debe tener la menor pérdida posible con la frecuencia.

Sin embargo, hay condensadores de bajo valor disponibles con vacío entre sus placas para permitir un funcionamiento con voltaje extremadamente alto y bajas pérdidas. Los condensadores variables con sus placas abiertas a la atmósfera se utilizaban habitualmente en los circuitos de sintonización de radio. Los diseños posteriores utilizan láminas de polímero dieléctrico entre las placas móviles y estacionarias, sin un espacio de aire significativo entre las placas.

Hay varios dieléctricos sólidos disponibles, incluidos 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 sustituido en gran medida por condensadores de película plástica .

La mayoría de las películas plásticas que se utilizan ahora ofrecen mejor estabilidad y resistencia al envejecimiento que los dieléctricos más antiguos, como el papel engrasado, lo que las hace útiles en circuitos temporizadores, aunque pueden estar limitadas a temperaturas y frecuencias de funcionamiento relativamente bajas, debido a las limitaciones del plástico. película que se está utilizando. Los condensadores de película plástica de gran tamaño 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 en términos generales 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 suelen ser físicamente frágiles.

Los condensadores de vidrio y mica son extremadamente fiables, estables y tolerantes a altas temperaturas y voltajes, pero son demasiado caros para la mayoría de las aplicaciones convencionales.

Los condensadores electrolíticos y los supercondensadores se utilizan para almacenar cantidades pequeñas y mayores de energía, respectivamente, los condensadores cerámicos se utilizan a menudo en resonadores y la capacitancia parásita se produce en circuitos donde la estructura simple conductor-aislante-conductor se forma involuntariamente por la configuración del diseño del circuito. .

Tres condensadores electrolíticos de aluminio de capacidad variable.

modelo 3D de condensador

Los condensadores electrolíticos utilizan una placa de aluminio o tantalio con una capa de óxido dieléctrico. El segundo electrodo es un electrolito líquido , conectado al circuito mediante otra placa de lámina. Los condensadores electrolíticos ofrecen una capacitancia muy alta, pero adolecen de tolerancias deficientes, alta inestabilidad, pérdida gradual de capacitancia, especialmente cuando se someten a calor, y alta corriente de fuga. Los condensadores de mala calidad pueden perder electrolitos, lo que es perjudicial para las placas de circuito impreso. La conductividad del electrolito cae a bajas temperaturas, lo que aumenta la resistencia en serie equivalente. Si bien se utilizan ampliamente para el acondicionamiento de fuentes de alimentación, las características deficientes de alta frecuencia los hacen inadecuados para muchas aplicaciones. Los condensadores electrolíticos se autodegradan si no se utilizan durante un período (alrededor de un año) y, cuando se les aplica toda la potencia, pueden provocar un cortocircuito, dañando permanentemente el condensador y, por lo general, quemando un fusible o provocando fallos en los diodos rectificadores. Por ejemplo, en equipos más antiguos, esto puede provocar la formación de arcos en los tubos rectificadores. Se pueden restaurar antes de su uso aplicando gradualmente el voltaje de funcionamiento, lo que a menudo se realiza en equipos antiguos de tubos de vacío durante un período de treinta minutos mediante el uso de un transformador variable para suministrar energía de CA. El uso de esta técnica puede ser menos satisfactorio para algunos equipos de estado sólido, que pueden dañarse si funcionan por debajo de su rango de potencia normal, lo que requiere que primero se aísle la fuente de alimentación de los circuitos consumidores. Es posible que estas 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 necesaria ]}

Los condensadores de tantalio ofrecen mejores características de frecuencia y temperatura que los de aluminio, pero mayor absorción dieléctrica y fugas. ^[54]

Los condensadores de polímero (OS-CON, OC-CON, KO, AO) utilizan un polímero conductor sólido (o semiconductor orgánico polimerizado) como electrolito y ofrecen una vida útil más larga y una menor ESR a un costo mayor que los condensadores electrolíticos estándar.

Un condensador pasante es un componente que, aunque no sirve como uso principal, tiene capacitancia y se utiliza para conducir señales a través de una lámina conductora.

Hay varios otros tipos de condensadores disponibles para aplicaciones especializadas. Los supercondensadores almacenan grandes cantidades de energía. Los supercondensadores fabricados a partir 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 pueden usarse 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 circuitos de motores eléctricos 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 metálicas que pueden conectarse a tierra fácilmente. También están diseñados con voltajes de ruptura de corriente continua de al menos cinco veces el voltaje de CA máximo.

Condensadores dependientes del voltaje

La constante dieléctrica de varios 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. Por ejemplo, al cargar un condensador de este tipo, el aumento diferencial de voltaje con la carga está gobernado por:

$${\displaystyle dQ=C(V)\,dV}$$

C ( V )ε = V / dS^{[55] [56]}

Correspondiente a la capacitancia dependiente del voltaje, para cargar el capacitor al voltaje V se encuentra una relación integral:

$${\displaystyle Q=\int _{0}^{V}C(V)\,dV}$$

Q = CVCV.

De la misma manera, la energía almacenada en el capacitor ahora está dada por

$${\displaystyle dW=Q\,dV=\left[\int _{0}^{V}dV'\,C(V')\right]dV\,.}$$

Integrando:

$${\displaystyle W=\int _{0}^{V}dV\int _{0}^{V}dV'\,C(V')=\int _{0}^{V}dV'\int _{V'}^{V}dV\,C(V')=\int _{0}^{V}dV'\left(V-V'\right)C(V')\,,}$$

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 de dominio de materiales ferroeléctricos. ^[57]

Otro ejemplo de capacitancia dependiente del voltaje ocurre en dispositivos semiconductores como los diodos semiconductores , donde la dependencia del voltaje no surge de un cambio en la constante dieléctrica sino de una dependencia del voltaje del espaciado entre las cargas en los dos lados del capacitor. ^[58] Este efecto se explota intencionalmente en dispositivos similares a diodos conocidos como varicaps .

Condensadores dependientes de la frecuencia

Si un capacitor es accionado con un voltaje variable en el tiempo que cambia lo suficientemente rápido, a cierta 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 conoce como 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 ):

$${\displaystyle {\boldsymbol {D(t)}}=\varepsilon _{0}\int _{-\infty }^{t}\varepsilon _{r}(t-t'){\boldsymbol {E}}(t')\,dt',}$$

indicando el retraso en respuesta por la dependencia del tiempo de ε _r , calculada en principio a partir de un análisis microscópico subyacente, por ejemplo, del comportamiento dipolar en el dieléctrico. Véase, por ejemplo, función de respuesta lineal . ^{[59] [60]} La integral se extiende a lo largo de toda la historia pasada hasta el presente. Una transformada de Fourier en el tiempo da como resultado:

$${\displaystyle {\boldsymbol {D}}(\omega )=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}(\omega ){\boldsymbol {E}}(\omega )\,,}$$

donde ε _r ( ω ) es ahora una función compleja , con una parte imaginaria relacionada con la absorción de energía del campo por el medio. Véase 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 para el campo de desplazamiento:

$${\displaystyle {\begin{aligned}I(\omega )&=j\omega Q(\omega )=j\omega \oint _{\Sigma }{\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},\omega )\cdot d{\boldsymbol {\Sigma }}\\&=\left[G(\omega )+j\omega C(\omega )\right]V(\omega )={\frac {V(\omega )}{Z(\omega )}}\,,\end{aligned}}}$$

junidad imaginariaV ( ω )ωG ( ω )realconductanciaC ( ω )imaginariacapacitanciaZ ( ω )

Cuando un capacitor de placas paralelas se llena con un dieléctrico, la medición de las propiedades dieléctricas del medio se basa en la relación:

$${\displaystyle \varepsilon _{r}(\omega )=\varepsilon '_{r}(\omega )-j\varepsilon ''_{r}(\omega )={\frac {1}{j\omega Z(\omega )C_{0}}}={\frac {C_{\text{cmplx}}(\omega )}{C_{0}}}\,,}$$

primoprimoZ ( ω )C _cmmplx ( ω )complejaC ₀^{[61] [62]}espacio librevacío cuánticoel dicroísmoC ₀^[63]

Usando este método de medición, la constante dieléctrica puede exhibir una resonancia en ciertas frecuencias correspondientes a 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. ^[64] Alternativamente, la respuesta temporal de la capacitancia se puede utilizar directamente, como en la espectroscopia transitoria de nivel profundo . ^{[sesenta y cinco]}

Otro ejemplo de capacitancia dependiente de la frecuencia ocurre con los capacitores MOS , donde la lenta generación de portadoras minoritarias significa que a altas frecuencias la capacitancia mide solo la respuesta de la portadora mayoritaria, mientras que a bajas frecuencias responden ambos tipos de portadoras. ^{[58] [66]}

A frecuencias ópticas, en los semiconductores la constante dieléctrica exhibe una estructura relacionada con la estructura de bandas del sólido. Los métodos sofisticados de medición de espectroscopía de modulación basados ​​en la modulación de la estructura cristalina mediante presión u otras tensiones y la observación de los cambios relacionados en la absorción o reflexión de la luz han avanzado nuestro conocimiento de estos materiales. ^[67]

Estilos

Paquetes de condensadores: cerámica SMD en la parte superior izquierda; tantalio SMD en la parte inferior izquierda; tantalio con orificio pasante en la parte superior derecha; Electrolítico de orificio pasante en la parte inferior derecha. Las divisiones de escala mayor son cm.

La disposición de placas y dieléctricos tiene muchas variaciones en diferentes estilos dependiendo de las clasificaciones deseadas del capacitor. Para valores pequeños de capacitancia (microfaradios y menos), los discos cerámicos utilizan recubrimientos metálicos, con cables 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 metálica o una capa de película metálica depositada sobre la superficie de una película dieléctrica para fabricar las placas, y una película dieléctrica de papel o plástico impregnado, que se enrollan para ahorrar espacio. Para reducir la resistencia e inductancia en serie de placas largas, las placas y el dieléctrico están escalonados de modo que la conexión se realiza en el borde común de las placas enrolladas, no en los extremos de la lámina o tiras de película metalizada que componen las placas.

El conjunto está revestido para evitar que entre humedad en el dieléctrico; los primeros equipos de radio utilizaban un tubo de cartón sellado con cera. Los condensadores dieléctricos de papel o película modernos se sumergen en un termoplástico duro. Los condensadores grandes para uso en alto voltaje pueden tener forma de rollo comprimido para caber en una caja metálica rectangular, con terminales atornillados y casquillos para las conexiones. El dieléctrico de los condensadores más grandes suele estar impregnado con un líquido para mejorar sus propiedades.

Varios condensadores electrolíticos de plomo axial.

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, normalmente el eje del cuerpo cilíndrico del condensador; los cables se extienden desde extremos opuestos. Los conductores radiales rara vez están alineados 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 su fabricación.

Desde la década de 1930 en adelante han existido condensadores cerámicos discoidales pequeños y baratos , que siguen siendo de uso generalizado. Después de la década de 1980, los paquetes de condensadores de montaje superficial se han utilizado ampliamente. Estos paquetes son extremadamente pequeños y carecen de cables de conexión, lo que permite soldarlos directamente sobre la superficie de las placas de circuito impreso . Los componentes de montaje en superficie evitan efectos indeseables de alta frecuencia debidos 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 el espaciado de las placas, por ejemplo girando o deslizando un conjunto de placas móviles para alinearlas con un conjunto de placas estacionarias. Los condensadores variables de bajo coste se comprimen alternando capas 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 región de agotamiento varía con el voltaje aplicado. Se utilizan en bucles de bloqueo de fase , entre otras aplicaciones.

Marcas de condensadores

Códigos de marcado para piezas más grandes.

La mayoría de los condensadores tienen designaciones impresas en sus cuerpos para indicar sus características eléctricas. Los condensadores más grandes, como los electrolíticos, suelen mostrar la capacitancia como valor con una unidad explícita, por ejemplo, 220 μF .

Por motivos tipográficos, algunos fabricantes imprimen MF en los condensadores para indicar microfaradios (μF). ^[68]

Código de marcado de tres o cuatro caracteres para condensadores pequeños

Los condensadores más pequeños, como los de cerámica, suelen utilizar una notación abreviada que consta de tres dígitos y una letra opcional, 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%, denotadas como J, K y M, respectivamente.

Un capacitor también puede estar etiquetado con su voltaje de trabajo, temperatura y otras características relevantes.

Ejemplo: Un capacitor etiquetado o designado como 473K 330V tiene una capacitancia de47 × 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 él sin riesgo indebido de romper la capa dieléctrica.

Código de marcado de dos caracteres para condensadores pequeños

Para capacitancias que siguen las series de valores preferidos E3 , E6 , E12 o E24 , las anteriores ANSI/EIA-198-D:1991, ANSI/EIA-198-1-E:1998 y ANSI/EIA-198-1-F: 2002, así como la enmienda IEC 60062:2016/AMD1:2019 a IEC 60062 definen un código de marcado especial de dos caracteres para condensadores para piezas muy pequeñas que no dejan espacio para imprimir en ellos el código de tres o cuatro caracteres mencionado anteriormente. El código consta de una letra mayúscula que indica los dos dígitos significativos del valor seguida de un dígito que indica el multiplicador. El estándar EIA también define una cantidad de letras minúsculas para especificar una cantidad de valores que no se encuentran en E24. ^[69]

código RKM

La notación para indicar el valor de un capacitor 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 de prefijo SI para el valor particular (y la letra F para el peso 1). El código también se utiliza para marcar piezas. Ejemplo: 4n7 para 4,7 nF o 2F2 para 2,2 F.

Histórico

En textos anteriores a la década de 1960 y en algunos paquetes de condensadores hasta más recientemente, ^[14] se utilizaban unidades de capacitancia obsoletas en libros electrónicos, ^[71] revistas y catálogos de electrónica. ^[72] Las antiguas unidades "mfd" y "mf" significaban microfaradios (μF); y las antiguas unidades "mmfd", "mmf", "uuf", "μμf", "pfd" significaban picofaradio (pF); pero ya casi no se utilizan. ^[73] Además, "micromicrofaradio" o "micro-microfaradio" son unidades obsoletas que se encuentran en algunos textos más antiguos y que equivalen a picofaradio (pF). ^[71]

Resumen de unidades de capacitancia obsoletas: (no se muestran las variaciones en mayúsculas/minúsculas)

• μF (microfaradio) = mf, mfd
• pF (picofaradio) = mmf, mmfd, dfp, μμF

Aplicaciones

Este condensador lleno de aceite de película de mylar tiene una inductancia muy baja y una resistencia baja para proporcionar la descarga de alta potencia (70 megavatios) y alta velocidad (1,2 microsegundos) necesaria para operar un láser de tinte .

Almacen de energia

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 otro tipo de sistema de almacenamiento de energía recargable . ^[74] 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 la energía cinética de partículas cargadas en energía eléctrica y almacenarla. ^[75]

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 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 superar la cantidad de carga almacenada en sus placas. ^[76]

En los sistemas de audio de los automóviles , los condensadores grandes almacenan energía para que el amplificador la utilice según demanda. Además, para un tubo de flash , se utiliza un condensador para mantener el alto voltaje .

memoria digital

En la década de 1930, John Atanasoff aplicó el principio del almacenamiento de energía en condensadores para construir memorias digitales dinámicas para las primeras computadoras binarias que usaban tubos de electrones para la lógica. ^[77]

Poder pulsado y armas.

Se utilizan grupos de condensadores de alto voltaje ( bancos de condensadores ) de baja inductancia, especialmente construidos y de gran tamaño, para suministrar enormes pulsos de corriente para muchas aplicaciones de energía pulsada . Estos incluyen formación electromagnética , generadores Marx , láseres pulsados ​​(especialmente láseres TEA ), redes de formación de pulsos , radares , investigación de fusión y aceleradores de partículas .

Los grandes bancos de condensadores (depósito) se utilizan como fuentes de energía para los detonadores de puente explosivo o detonadores de azote en armas nucleares y otras armas especiales. Se están realizando trabajos experimentales utilizando bancos de condensadores como fuentes de energía para armaduras electromagnéticas y cañones de riel y bobina electromagnéticos .

Acondicionamiento de energía

Un condensador de 10.000  microfaradios en una fuente de alimentación de amplificador

Los condensadores de depósito se utilizan en fuentes de alimentación donde suavizan la salida de un rectificador de onda completa o de media onda . 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 están conectados 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. Los equipos de audio, por ejemplo, utilizan varios condensadores de esta manera para desviar el zumbido de la línea eléctrica antes de que llegue al circuito de señal. Los condensadores actúan como reserva local para la fuente de alimentación de CC y evitan las corrientes de CA de la fuente de alimentación. Se utiliza en aplicaciones de audio para automóviles, cuando un condensador de refuerzo compensa la inductancia y la resistencia de los cables de la batería de plomo-ácido del automóvil .

Corrección del factor de poder

Un banco de condensadores de alto voltaje utilizado para la corrección del factor de potencia en un sistema de transmisión de energía.

En la distribución de energía eléctrica, los condensadores se utilizan para la corrección del factor de potencia . Estos condensadores suelen venir en forma de tres condensadores conectados como una carga trifásica . Normalmente, los valores de estos condensadores no se dan en faradios sino como potencia reactiva en voltamperios reactivos (var). El propósito es contrarrestar la carga inductiva de dispositivos como motores eléctricos y líneas de transmisión para que la carga parezca mayoritariamente resistiva. Las cargas individuales de motores o lámparas pueden tener capacitores para la corrección del factor de potencia, o se pueden instalar conjuntos más grandes de capacitores (generalmente con dispositivos de conmutación automática) en un centro de carga dentro de un edificio o en una subestación de servicios públicos grande .

Supresión y acoplamiento

Acoplamiento de señal

Los condensadores de película de poliéster se utilizan frecuentemente como condensadores de acoplamiento.

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 valor grande de capacitancia, cuyo valor no necesita controlarse con precisión, pero cuya reactancia es pequeña a la frecuencia de la señal.

Desacoplamiento

Un condensador de desacoplamiento es un condensador que se utiliza para proteger una parte de un circuito del efecto de otra, por ejemplo para suprimir ruido o transitorios. El ruido causado por otros elementos del circuito se desvía a través del condensador, reduciendo el efecto que tienen en el resto del circuito. Se utiliza más comúnmente entre la fuente de alimentación y 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 distintas capas. A menudo se les conoce como condensadores integrados. ^[78] 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 ellas, lo que les permite funcionar como un condensador de placas paralelas.

Filtros de paso alto y paso bajo

Supresión de ruido, picos y amortiguadores

Cuando se abre un circuito inductivo, la corriente a través de la inductancia colapsa rápidamente, creando un gran voltaje a través del 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 entre sí, o destruyan un interruptor de estado sólido. Un condensador amortiguador a través del circuito recién abierto crea un camino para que este impulso evite los puntos de contacto, preservando así su vida; Estos se encontraban comúnmente en sistemas de encendido por interruptor de contacto , por ejemplo. De manera similar, en circuitos de menor escala, la chispa puede no ser suficiente para dañar el interruptor, pero aún así puede irradiar interferencias de radiofrecuencia (RFI) no deseadas , que absorbe un condensador de filtro . Los condensadores amortiguadores generalmente se emplean con una resistencia de bajo valor en serie, para disipar energía y minimizar la RFI. Estas combinaciones de resistencia y condensador están disponibles en un solo paquete.

Los condensadores también se utilizan en paralelo con las unidades de interrupción de un disyuntor de alto voltaje para distribuir equitativamente el voltaje entre estas unidades. Estos se denominan "condensadores graduados".

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 ).

Arrancadores de motor

En los motores monofásicos de jaula de ardilla, 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 secundario de "arranque" tiene un condensador de arranque no polarizado en serie para introducir un cable en la corriente sinusoidal. Cuando el devanado secundario (inicio) se coloca en ángulo con respecto al devanado primario (funcionamiento), se crea un campo eléctrico giratorio. La fuerza del campo rotacional no es constante, pero es suficiente para hacer girar el rotor. Cuando el rotor se acerca a la velocidad de funcionamiento, un interruptor centrífugo (o relé sensible a la corriente en serie con el devanado principal) desconecta el condensador. El condensador de arranque normalmente se monta en el lateral de la carcasa del motor. Se denominan motores de arranque por condensador y 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, limpiadores a presión y cualquier dispositivo pequeño que requiera pares de arranque elevados.

Los motores de inducción accionados por condensadores tienen un condensador desfasador 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 de motores suelen ser del tipo electrolítico no polarizado, mientras que los condensadores de funcionamiento son del tipo dieléctrico convencional de papel o película plástica.

Procesamiento de la señal

La energía almacenada en un condensador se puede utilizar para representar información , ya sea en forma binaria, como en las DRAM , o en forma analógica, como en los filtros de muestreo analógico y los CCD . Los condensadores se pueden utilizar en circuitos analógicos como componentes de integradores o filtros más complejos y en la estabilización de bucles de retroalimentación negativa . Los circuitos de procesamiento de señales también utilizan condensadores para integrar una señal actual.

Circuitos sintonizados

Los condensadores e inductores se aplican juntos en circuitos sintonizados para seleccionar información en bandas de frecuencia particulares. Por ejemplo, los receptores de radio dependen de condensadores variables para sintonizar la frecuencia de la estación. Los parlantes usan cruces analógicos pasivos y los ecualizadores analógicos usan capacitores para seleccionar diferentes bandas de audio.

La frecuencia de resonancia f de un circuito sintonizado es función de la inductancia ( L ) y la capacitancia ( C ) en serie, y viene dada por:

$${\displaystyle f={\frac {1}{2\pi {\sqrt {LC}}}}}$$

LhenriosC

Sensación

La mayoría de los condensadores están diseñados para mantener una estructura física fija. Sin embargo, varios factores pueden cambiar la estructura del capacitor y el cambio resultante en la capacitancia puede usarse para detectar esos factores.

Cambiando el dieléctrico

Los efectos de variar las características del dieléctrico se pueden utilizar con fines de detección. Se pueden utilizar condensadores con un dieléctrico expuesto y poroso para medir la humedad en el aire. Los condensadores se utilizan para medir con precisión el nivel de combustible en los aviones ; A medida que el combustible cubre más de un par de placas, la capacitancia del circuito aumenta. Apretar el dieléctrico puede cambiar un condensador a unas pocas decenas de bares de presión lo suficiente como para poder usarlo como sensor de presión. ^[79] Un condensador dieléctrico de polímero seleccionado, pero por lo demás estándar, cuando se sumerge en un gas o líquido compatible, puede funcionar útilmente como un sensor de presión de muy bajo costo hasta muchos cientos de bar.

Cambiar la distancia entre las placas.

Se pueden utilizar condensadores con una placa flexible para medir la tensión o la presión. Los transmisores de presión industriales utilizados para el control de procesos utilizan diafragmas sensores de presión, que forman una placa de condensador de un circuito oscilador. Los condensadores se utilizan como sensores en micrófonos de condensador , donde una placa se mueve mediante la presión del aire, en relación con la posición fija de la otra placa. Algunos acelerómetros utilizan condensadores MEMS grabados en un chip para medir la magnitud y dirección del vector de aceleración. Se utilizan para detectar cambios en la aceleración, en sensores de inclinación o para detectar caída libre, como sensores que activan el despliegue de bolsas de aire y en muchas otras aplicaciones. Algunos sensores de huellas dactilares utilizan condensadores. Además, un usuario puede ajustar el tono de un instrumento musical theremin moviendo su mano ya que esto cambia la capacitancia efectiva entre la mano del usuario y la antena.

Cambiar el área efectiva de las placas.

Los interruptores táctiles capacitivos ahora son ^{[ ¿cuándo? ]} utilizado en muchos productos electrónicos de consumo.

Osciladores

Ejemplo de un oscilador simple que incorpora un condensador.

Un condensador puede poseer cualidades similares a las de un resorte en un circuito oscilador. En el ejemplo de la imagen, un condensador 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 controlan juntos la frecuencia oscilatoria.

Produciendo luz

Un condensador emisor de luz está hecho de un dieléctrico que utiliza 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.

Peligros y seguridad

Los peligros que plantea un condensador suelen estar determinados, principalmente, 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 magnitud del daño que puede ocurrir. ^[52] Bajo ciertas condiciones, incluida la conductividad de las superficies, condiciones médicas preexistentes, la humedad del aire o las vías que sigue a través del 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 sólo un julio causan la muerte, aunque en la mayoría de los casos ni siquiera dejan una quemadura. Las descargas superiores a diez julios generalmente dañan la piel y, por lo general, se consideran peligrosas. Cualquier condensador que pueda almacenar 50 julios o más debería considerarse potencialmente letal. ^{[80] [52]}

Los condensadores pueden retener la carga mucho tiempo después de que se retira la energía de un circuito; Esta carga puede causar descargas peligrosas o incluso potencialmente fatales o dañar el equipo conectado. Por ejemplo, incluso un dispositivo aparentemente inocuo, como una unidad de flash de cámara desechable, alimentado por 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 provocar una descarga eléctrica. Los procedimientos de servicio para dispositivos electrónicos generalmente incluyen instrucciones para descargar capacitores grandes o de alto voltaje, por ejemplo usando un bastón Brinkley . Los condensadores también pueden tener resistencias de descarga incorporadas para disipar la energía almacenada a un nivel seguro unos segundos después de cortar la energía. Los condensadores de alto voltaje se almacenan con los terminales en cortocircuito , como protección contra voltajes potencialmente peligrosos debido a la absorción dieléctrica o contra voltajes transitorios que el capacitor puede captar debido a cargas estáticas o eventos climáticos pasajeros. ^[52]

Algunos condensadores viejos y grandes de papel o película plástica llenos de aceite contienen bifenilos policlorados (PCB). Se sabe que los residuos de PCB pueden filtrarse a las aguas subterráneas de los vertederos . Los condensadores que contenían PCB estaban etiquetados como "Askarel" y varios otros nombres comerciales. Los condensadores de papel rellenos de PCB se encuentran en balastros de lámparas fluorescentes muy antiguos (anteriores a 1975) y en otras aplicaciones.

Los condensadores pueden fallar catastróficamente cuando se los somete a voltajes o corrientes más allá de su clasificación, o cuando llegan al final de su vida útil normal. Las fallas en las interconexiones dieléctricas o metálicas pueden crear arcos que vaporizan el fluido dieléctrico, lo que resulta en abombamiento, ruptura o incluso una explosión . Los condensadores utilizados en RF o aplicaciones de alta corriente sostenida pueden sobrecalentarse, especialmente en el centro de los rollos del condensador. Los condensadores utilizados en bancos de condensadores de alta energía pueden explotar violentamente cuando un cortocircuito en un condensador provoca un vertido repentino de energía almacenada en el resto del banco en la unidad que falla. Los condensadores de vacío de alto voltaje pueden generar rayos X suaves incluso durante el funcionamiento normal. Una contención, fusión y 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 circuitos de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Esto extiende la vida útil del componente y puede mitigar los riesgos de alto voltaje.

• 
  Condensadores electrolíticos hinchados: el diseño especial de la parte superior de los condensadores les permite ventilarse en lugar de explotar 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 esparcido fragmentos de papel y láminas metálicas

Ver también

• Portal de electrónica

• medidor de capacitancia
• Plaga de condensadores
• Campo de desplazamiento eléctrico
• Electroluminiscencia
• Lista de fabricantes de condensadores

Notas

1. Para reducir el riesgo de errores de lectura, las letras Iy Ono se utilizan ya que sus glifos se parecen a otras letras y dígitos.

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Bibliografía

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• Sze, Simon M.; Ng, Kwok K. (2006). Física de dispositivos semiconductores (3ª ed.). Wiley. ISBN 978-0-47006830-4.

Otras lecturas

• Condensadores a base de tantalio y niobio: ciencia, tecnología y aplicaciones ; 1ª edición; Yuri Freeman; Saltador; 120 páginas; 2018; ISBN 978-3-31967869-6 . 
• Condensadores ; 1ª edición; RP Deshpande; McGraw-Hill; 342 páginas; 2014; ISBN 978-0-07184856-5 . 
• El manual de condensadores ; 1ª edición; Cletus Kaiser; Van Nostrand Reinhold; 124 páginas; 1993; ISBN 978-9-40118092-4 . 
• Comprensión de los condensadores y sus usos ; 1ª edición; William Mullin; Editorial Sams; 96 páginas; 1964. (archivo)
• Condensadores Fijos y Variables ; 1ª edición; GWA Dummer y Harold Nordenberg; Prensa de arce; 288 páginas; 1960. (archivo)
• El condensador electrolítico ; 1ª edición; Alejandro Georgiev; Libros de Murray Hill; 191 páginas; 1945. (archivo)

enlaces externos

• El primer condensador: un vaso de cerveza – SparkMuseum
• Cómo funcionan los condensadores – Cómo funciona
• Tutorial de condensadores