Condensador llétricu

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Condensador llétricu

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Un condensador llétricu (tamién conocíu frecuentemente col anglicismu capacitor, proveniente del nome equivalente n'inglés) ye un dispositivu pasivu, utilizáu en lletricidá y electrónica, capaz d'almacenar enerxía sofitando un campu llétrico.^[1][2] Ta formáu por un par de superficies conductores, xeneralmente en forma de llámines o plaques, en situación d'influencia total (esto ye, que toles llinies de campu llétricu que parten d'una van parar a la otra) dixebraes por un material dieléctricu o pol vacíu. Les plaques, sometíes a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga llétrica, positiva nuna d'elles y negativa na otra, siendo nula la variación de carga total.

Anque dende'l puntu de vista físicu un condensador nun almacena carga nin corriente llétrica, sinón a cencielles enerxía mecánica llatente; al ser introducíu nun circuitu portar na práutica como un elementu "capaz" d'almacenar la enerxía llétrica que recibe mientres el periodu de carga, la mesma enerxía que vence dempués mientres el periodu de descarga.

La carga almacenada nuna de les plaques ye proporcional a la diferencia de potencial ente esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidá o capacitancia. Nel Sistema internacional d'unidaes midir en Faradios (F), siendo 1 faradiu la capacidá d'un condensador nel que, sometíes les sos armadures a una d.d.p. de 1 voltiu, estes adquieren una carga llétrica de 1 culombiu.

La capacidá de 1 faradiu ye muncho más grande que la de la mayoría de los condensadores, polo que na práutica suelse indicar la capacidá en micro- µF = 10^-6, nano- nF = 10^-9 o picu- pF = 10^-12 -faradios. Los condensadores llograos a partir de supercondensadores (EDLC) son la esceición. Tán fechos de carbón activáu pa consiguir una gran área relativa y tienen una separación molecular ente les "plaques". Asina se consiguen capacidaes del orde de cientos o miles de faradios. Unu d'estos condensadores incorporar nel reló Kinetic de Seiko, con una capacidá de 1/3 de faradiu, faciendo innecesaria la pila. Tamién se ta utilizando nos prototipos d'automóviles llétricos.

El valor de la capacidá d'un condensador vien definíu pola siguiente fórmula:

${\displaystyle C={\frac {Q_{1}}{V_{1}-V_{2}}}={\frac {Q_{2}}{V_{2}-V_{1}}}}$

onde:

${\displaystyle C}$: Capacitancia o capacidá :${\displaystyle Q_{1}}$:

Carga llétrica almacenada na placa 1.

${\displaystyle V_{1}-V_{2}}$: Diferencia de potencial ente la placa 1 y la 2.

Nótese que na definición de capacidá ye indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, yá que

${\displaystyle Q_{2}=C(V_{2}-V_{1})=-C(V_{1}-V_{2})=-Q_{1}\,}$

anque por conveniu suelse considerar la carga de la placa positiva.

En cuanto al aspeutu constructivu, tantu la forma de les plaques o armadures como la naturaleza del material dieléctrico son por demás variables. Esisten condensadores formaos por plaques, usualmente d'aluminiu, dixebraes por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa d'óxidu d'aluminiu llográu per mediu de la electrólisis.

Cuando aumenta la diferencia de potencial ente los sos terminales, el condensador almacena carga llétrica por cuenta de la presencia d'un campu llétrico nel so interior; cuando esta mengua, el condensador devuelve dicha carga al circuitu. Matemáticamente puede llograse que la enerxía ${\displaystyle {\mathcal {Y}}}$, almacenada por un condensador con capacidá ${\displaystyle C}$, que ye conectáu a una diferencia de potencial ${\displaystyle V_{1}-V_{2}}$, vien dada por:

Fórmula pa cualesquier valores de tensión inicial y tensión final: ${\displaystyle {\mathcal {Y}}=\int _{q_{1}}^{q_{2}}V\mathrm {d} q=\int _{q_{1}}^{q_{2}}{\frac {Q}{C}}\mathrm {d} q={\frac {Q^{2}}{2C}}={\frac {1}{2C}}((CV_{2})^{2}-(CV_{1})^{2})={\frac {1}{2}}C(V_{2}^{2}-V_{1}^{2})}$ Onde ${\displaystyle q_{1}}$ ye la carga inicial. ${\displaystyle q_{2}}$ ye la carga final. ${\displaystyle V_{1}}$ ye la tensión inicial. ${\displaystyle V_{2}}$ ye la tensión final.

Esti fechu ye aprovecháu pa la fabricación de memories, nes que s'aprovecha la capacidá qu'apaez ente la puerta y la canal de los transistores MOS p'aforrar componentes.

Al coneutar un condensador nun circuitu, la corriente empieza a circular pol mesmu. Al empar, el condensador va atropando carga ente les sos plaques. Cuando'l condensador alcuéntrase totalmente cargáu, dexa de circular corriente pol circuitu. Si quita la fonte y asítiase el condensador y la resistencia en paralelu, la carga empieza a fluyir d'una de les plaques del condensador a la otra al traviés de la resistencia, hasta que la carga ye nula nos dos plaques. Nesti casu, la corriente va circular en sentíu contrariu al que circulaba mientres el condensador taba cargándose.

Carga

:${\displaystyle V(t)=V_{f}(1-y^{-{\frac {t}{RC}}})}$

${\displaystyle I(t)={\frac {V_{f}}{R}}(y^{-{\frac {t}{RC}}})}$

Descarga

:${\displaystyle V(t)=V_{i}\,y^{-{\frac {t}{RC}}}}$

${\displaystyle I(t)=-{\frac {V_{i}}{R}}(y^{-{\frac {t}{RC}}})}$

Onde:

V(t) ye la tensión nel condensador.

V_i ye la tensión o diferencia de potencial llétricu inicial (t=0) ente les plaques del condensador.

V_f ye la tensión o diferencia de potencial llétricu final (a réxime estacionariu t>=4RC) ente les plaques del condensador.

I(t) la intensidá de corriente que circula pol circuitu.

RC ye la capacitancia del condensador en faradios multiplicada pola resistencia del circuitu n'Ohmios, llamada constante de tiempu.

En CA, un condensador ideal ufierta una resistencia al pasu de la lletricidá que recibe'l nome de reactancia capacitiva, X_C, que'l so valor vien dau pola inversa del productu de la pulsación (${\displaystyle \quad \omega =2\pi f}$) pola capacidá, C:

${\displaystyle X_{C}={1 \over \omega C}}$

Si la pulsación espresar en radianes per segundu (rad/s) y la capacidá en faradios (F), la reactancia va resultar n'ohmios.

Acordies cola llei d'Ohm, la corriente alterna que circule pol condensador va adelantrase 90º (${\displaystyle \pi /2}$) al respective de la tensión aplicao.

Los condensadores pueden acomuñar en serie, paralelu o de forma mista. Nestos casos, la capacidá equivalente resulta ser pa l'asociación en serie:

${\displaystyle {1 \over C_{AB}}={1 \over C_{1}}+{1 \over C_{2}}+...+{1 \over C_{n}}={\sum _{k=1}^{n}{1 \over C_{k}}}}$

y pa l'asociación en paralelu:

${\displaystyle C_{AB}=C_{1}+C_{2}+...+C_{n}=\sum _{k=1}^{n}C_{k}}$

Esto ye, el sumatorio de toles capacidaes de los condensadores coneutaos en paralelu.

Ye fácil demostrar estos dos espresiones, pa la primera solo hai que tener en cuenta que la carga almacenada nes plaques ye la mesma en dambos condensadores (tiense qu'inducir la mesma cantidá de carga ente les plaques y por tanto camuda la diferencia de potencial pa caltener la capacitancia de cada unu), y per otru llau na asociación en "paralelu", tiense que la diferencia de potencial ente dambes plaques tien que ser la mesma (debíu a la manera nel que tán coneutaos), asina que va camudar la cantidá de carga. Como esta alcuéntrase nel numberador (${\displaystyle C=Q/V}$) la suma de capacidaes va ser a cencielles la suma alxebraica.

Tamién vale recordar que'l cálculu de la capacidá equivalente en paralelu ye similar al cálculu de la resistencia de dos dispositivos en serie, y la capacidá o capacitancia en serie calcular de forma similar a la resistencia en paralelu.

Un condensador variable ye aquel nel cual pueda camudase el valor de la so capacidá. Nel casu d'un condensador planu, la capacidá puede espresase pola siguiente ecuación:

${\displaystyle C=\epsilon _{0}\epsilon _{r}{\frac {A}{d}}}$

onde:

${\displaystyle \epsilon _{0}}$ ye la permitividad del vacíu ≈ 8,854187817... × 10⁻¹² F·m⁻¹

${\displaystyle \epsilon _{r}}$ ye la constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctricu ente les plaques;

A ye l'área efectiva de les plaques;

y d ye la distancia ente les plaques o espesura del dieléctricu.

Pa tener condensador variable hai que faer qu'a lo menos una de les trés últimes espresiones camuden de valor. D'esta miente, puede tenese un condensador nel qu'una de les plaques seya móvil, polo tanto varia d y la capacidá va depender d'esi desplazamientu, lo cual podría ser utilizáu, por casu, como sensor de desplazamientu.

Otru tipu de condensador variable presentar nos diodos Varicap.

El condensador ideal (figura 1) puede definise a partir de la siguiente ecuación diferencial:

${\displaystyle i(t)=C{du(t) \over dt}\;}$

onde C ye la capacidá, o(t) ye la función diferencia de potencial aplicada a los sos terminales y i(t) la corriente resultante que circula.

Un condensador real en CC (DC n'inglés) pórtase práuticamente como unu ideal, esto ye, como un circuitu abiertu. Esto ye asina en réxime permanente yá qu'en réxime transitoriu, esto ye, al coneutar o desconectar un circuitu con condensador, asoceden fenómenos llétricos transitorios qu'inciden sobre la d.d.p. nos sos bornes (ver circuitos serie RL y RC).

Al coneutar una CA sinusoidal v(t) a un condensador va circular una corriente i(t), tamién sinusoidal, que lo cargará, aniciando nos sos bornes una cayida de tensión, -v_c(t), que'l so valor absolutu puede demostrase que ye igual al de v(t). Tou lo anterior, una vegada algamáu'l réxime estacionariu. Al dicir que pol condensador «circula» una corriente, tien de puntualizase que, en realidá, tala corriente nunca traviesa la so dieléctricu. Lo qu'asocede ye que'l condensador cárgase y descarga al ritmu de la frecuencia de v(t), polo que la corriente circula externamente ente les sos armadures. Esto fai referencia a la corriente de conducción pero, nel interior del dieléctricu podemos falar de la corriente de desplazamientu.

El fenómenu físicu del comportamientu del condensador en CA puede reparase na figura 2. Ente los 0º y los 90º i(t) va menguando dende'l so valor máximu positivu a midida que aumenta la so tensión de carga v_c(t), aportando a nula cuando algama'l valor máximu negativu a los 90º, yá que la suma de tensiones ye cero (v_c(t)+ v(t) = 0) nesi momentu. Ente los 90º y los 180° v(t) mengua, y el condensador empieza a descargase, menguando polo tanto v_c(t). Nos 180° el condensador ta dafechu descargáu, algamando i(t) el so valor máximu negativu. De los 180° a los 360° el razonamientu ye similar al anterior.

De tolo anterior deduzse que la corriente queda adelantrada 90º respectu de la tensión aplicao. Considerando, poro, un condensador C, como'l de la figura 1, al que s'aplica una tensión alterno de valor:

${\displaystyle o(t)=V_{0}\cdot \sin(\omega t+\beta )}$

Acordies cola llei d'Ohm va circular una corriente alterna, adelantrada 90º (${\displaystyle \pi /2}$) al respective de la tensión aplicao (figura 4), de valor:

${\displaystyle i(t)=I_{0}\cdot \sin(\omega t+\beta +90^{\circ })}$

onde ${\displaystyle I_{0}={V_{0} \over jX_{C}}}$. Si representa'l valor eficaz de la corriente llograda en forma polar:

${\displaystyle {\vec {I}}=I_{/\!\!\!{\underline {\ \beta +90^{\circ }}}}}$

Y operando matemáticamente:

${\displaystyle {\vec {I}}=\left({V \over X_{C}}\right)_{/\!\!\!{\underline {\ \beta +90^{\circ }}}}={V_{/\!\!\!{\underline {\ \beta }}} \over {X_{C}}_{/\!\!\!{\underline {\ -90^{\circ }}}}}}$

Poro, nos circuitos de CA, un condensador ideal puede asimilase a una magnitú complexa ensin parte real y parte imaxinaria negativa:

${\displaystyle {\vec {X_{C}}}=0-jX_{C}={X_{C}}_{/\!\!\!{\underline {\ -90^{\circ }}}}}$

Nel condensador real, va haber que tener en cuenta la resistencia de perdes del so dieléctricu, R_C, pudiendo ser el so circuitu equivalente, o modelu, el qu'apaez na figura 4a) o 4b) dependiendo del tipu de condensador y de la frecuencia a la que se trabaye, anque p'analises más precisos pueden utilizase modelos más complexos que los anteriores.

• Condensadores d'aire. Trátase de condensadores, de normal de plaques paraleles, con dieléctricu d'aire y encapsulados en vidriu. Como la permitividad llétrica relativa ye la unidá, namái dexa valores de capacidá bien pequeños. Úsase en radio y radar, pos escarecen de perdes y polarización nel dieléctricu, funcionando bien a frecuencies elevaes.
• Condensadores de mica. La mica tien delles propiedaes que la faen afecha pa dieléctricu de condensadores: baxes perdes, exfoliación en llámines fines, soporta altes temperatures y nun se degrada por oxidación o col mugor. Sobre una cara de la llámina de mica deposítase aluminiu, que forma una armadura. Se apilan delles d'estes llámines, soldando los estremos alternativamente a cada unu de los terminales. Estos condensadores funcionen bien n'altes frecuencies y soporten tensiones elevaes, pero son caros y vense gradualmente sustituyíos por otros tipos.
• Condensadores de papel. El dieléctricu ye papel parafinado, baquelizado o sometíu a dalgún otru tratamientu qu'amenorga'l so higroscopia y aumenta l'aislamientu. Se apilan dos cintes de papel, una d'aluminiu, otros dos de papel y otra d'aluminiu y endólquense n'espiral. Les cintes d'aluminiu constitúin los dos armadures, que se conecten a dos talos terminales. Utilícense dos cintes de papel pa evitar los poros que pueden presentar.
  • Condensadores autorregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones n'ambientes industriales. Los condensadores autorregenerables son condensadores de papel, pero l'armadura realízase depositando aluminiu sobre'l papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rixidez dieléctrica del dieléctricu, el papel romper en dalgún puntu, produciéndose un cortucircuitu ente les armadures, pero esti curtiu provoca una alta densidá de corriente poles armadures na zona del frayatu. Esta corriente funde la fina capa d'aluminiu qu'arrodia al cortucircuitu, restableciendo l'aislamientu ente les armadures.
• Condensadores electrolíticos. Ye un tipu de condensador qu'utiliza un electrolitu, como la so primer armadura, que actúa como cátodu. Cola tensión fayadizo, l'electrolitu deposita una capa aislante (la cual ye polo xeneral una capa bien fina d'óxidu d'aluminiu) sobre la segunda armadura o cuba (ánodu), consiguiendo asina capacidaes bien elevaes. Son desaparentes pa funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destrúi l'óxidu, produciendo un cortucircuitu ente l'electrolitu y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, ambura o españa'l condensador consecuentemente. Esisten dellos tipos, según la so segunda armadura y electrolitu emplegaos:
  • Condensadores d'aluminiu. Ye'l tipu normal. La cuba ye d'aluminiu y l'electrolitu una disolución d'acedu bórico. Funciona bien a baxes frecuencies, pero presenta perdes grandes a frecuencies medies y altes. Emplegar en fontes d'alimentación y equipos d'audiu. Bien utilizáu en fontes d'alimentación conmutadas.
  • Condensadores de tantaliu (tántalos). Ye otru condensador electrolíticu, pero emplega tantaliu en llugar d'aluminiu. Consigue corrientes de perdes baxes, enforma menores que nos condensadores d'aluminiu. Suelen tener meyor rellación capacidad/volumen.
  • Condensadores bipolares (pa corriente alterna). Tán formaos por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizaos en casu de que la corriente pueda invertise. Son inservibles p'altes frecuencies.
• Condensadores de poliéster o Mylar. Ta formáu por llámines delgaes de poliéster sobre les que se deposita aluminiu, que forma les armadures. Se apilan estes llámines y conéctense pelos estremos. De la mesma, tamién s'atopen condensadores de policarbonato y polipropileno.
• Condensadores de poliestireno tamién conocíos comúnmente como Styroflex (marca rexistrada de Siemens). Otru tipu de condensadores de plásticu, bien utilizáu en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso a les bobines de sintonía, llogrando d'esta miente estabilidá nos circuitos resonantes.
• Condensadores cerámicos. Utiliza cerámiques de dellos tipos pa formar el dieléctricu. Esisten distintos tipos formaos por una sola llámina de dieléctricu, pero tamién los hai formaos por llámines apiladas. Dependiendo del tipu, funcionen a distintes frecuencies, llegando hasta les microondes.
• Condensadores síncronos. Ye un motor síncrono que se porta como un condensador.
• Dieléctricu variable. Esti tipu de condensador tien una armadura móvil que xira en redol a una exa, dexando que s'introduza más o menos dientro de la otra. El perfil de l'armadura suel ser tal que la variación de capacidá ye proporcional al llogaritmu del ángulu que xira la exa.
  • Condensadores d'axuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Les armadures son semicirculares, pudiendo xirar una d'elles en redol al centru, variando asina la capacidá. Otru tipu basar n'averar les armadures, por aciu un torniellu que les apertar.

Los condensadores suelen usase para:

• Bateríes, pola so cualidá d'almacenar enerxía.
• Memories, pola mesma cualidá.
• Filtros.
• Fontes d'alimentación.
• Adautación de impedancias, faciéndoles resonar a una frecuencia dada con otros componentes.
• Demodular AM, xunto con un diodu.
• Osciladores de tolos tipos.
• El flax de les cámares fotográfiques.
• Tubos fluorescentes.
• Compensación del factor de potencia.
• Arranque de motores monofásicos de fase partida.
• Caltener corriente nel circuitu y evitar cayíes de tensión.

• Botella de Leyden
• Resistencia llétrica
• Inductor
• Diodu
• Dieléctricu
• Micrófonu de condensador
• Supercondensador

• Wikimedia Commons acueye conteníu multimedia sobre capacitores.
• Understanding Capacitors
• Apuntes sobre capacidá y circuitos equivalentes (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
• Condensadores y potenciómetros en guitarres y baxos llétricos
• Símbolos de Condensadores llétricos / Capacitores