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Una introducción a los diferentes tipos de condensadores
Un condensador es un componente electrónico que almacena carga eléctrica y energía en un campo eléctrico. Junto con las resistencias, los condensadores se encuentran entre los componentes más comunes en los circuitos eléctricos y electrónicos. Se utilizan ampliamente en equipos de telecomunicaciones, como receptores de radio para la sintonización de frecuencias, así como en circuitos de temporización, osciladores y filtros. En este artículo, cubriremos las características básicas de los condensadores, sus funciones principales y los diferentes tipos y aplicaciones de estos componentes esenciales.
Capacitores y Capacitancia
Un capacitor se forma por cualquier par de conductores, siendo la forma típica dos placas paralelas, es decir, dos conductores o electrodos separados por un material dieléctrico de espesor uniforme. Los conductores pueden ser cualquier material que conduzca electricidad fácilmente. El material dieléctrico debe ser un mal conductor, es decir, un aislante. Un capacitor tiene la capacidad de almacenar una cantidad de electricidad estática.
Los campos eléctricos estáticos surgen de cargas eléctricas, con líneas de campo eléctrico que comienzan y terminan en cargas eléctricas. Por lo tanto, la presencia de cargas eléctricas positivas y negativas iguales en las dos placas de la Figura 2 a continuación:
Supongamos una carga de +Q culombios en la placa A y –Q culombios en la placa B. La propiedad de este par de placas que determina cuánta carga corresponde a un voltaje dado entre las placas se denomina capacitancia, denotada por C:
C = Q / V
La unidad de capacitancia es culombios por voltio o faradios (F), que se define como la capacitancia cuando aparece un voltaje de un voltio entre las placas cuando se cargan con un culombio. En la práctica, la mayoría de los capacitores tienen valores mucho menores que un faradio y se expresan comúnmente en microfaradios (µF, 10⁻⁶ F), nanofaradios (nF, 10⁻⁹ F) o picofaradios (pF, 10⁻¹² F).
Para el caso anterior en la Figura 1, la capacitancia C se da por:
C = εA / d
dónde:
- A es el área de una placa
- d es la distancia entre las placas
- ε es la permitividad del material dieléctrico entre ellos
Para un capacitor ideal, la capacitancia depende únicamente de las características físicas del dispositivo. Al comprar un capacitor, debes especificar su voltaje nominal además de su valor de capacitancia. Esta clasificación te indica el voltaje máximo que puedes aplicar al capacitor antes de que se produzca una ruptura eléctrica a través del material dieléctrico.
Las Funciones de los Condensadores en Circuitos Electrónicos
Almacenamiento de Energía
Como se mencionó anteriormente, los capacitores se utilizan para almacenar energía. En este caso, la carga de una corriente aplicada se almacena dentro del capacitor, y luego se libera de nuevo en el circuito como corriente que puede ser utilizada.
Al colocar una resistencia en serie con el condensador, se puede controlar la velocidad de carga y descarga. Este concepto se emplea a menudo en circuitos de descarga de alta corriente, como los flashes fotográficos, así como en pequeñas fuentes de energía de respaldo para circuitos integrados de baja potencia. Además, se utiliza para suavizar las fluctuaciones de la fuente de alimentación, controlar la temporización en circuitos integrados y modificar la forma de las formas de onda.
Bloqueo de CC y Acoplamiento de CA
Cuando se coloca un condensador en serie con una ruta de señal, bloquea la corriente continua (CC) y permite el paso de los componentes de la señal de corriente alterna (CA). Cuando un condensador se utiliza de esta manera, se denomina condensador de bloqueo de CC o de acoplamiento de CA.
Para explicar cómo funciona esto: en CC, la impedancia de un condensador es idealmente infinita; no fluye corriente y los niveles de CC dentro de una señal mixta no pueden pasar. Pero, si se aplica una señal de CA, la impedancia del condensador se convierte en un valor finito que depende de la frecuencia de la señal, lo que implica que cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la impedancia. Por lo tanto, en efecto, un condensador en serie puede usarse para acoplar dos circuitos juntos sin introducir cambios de CC no deseados en la siguiente etapa; además, puede controlar cuánta señal de una frecuencia determinada pasa, es decir, controla la atenuación.
Desacoplamiento y derivación
Consideremos un caso en el que el condensador se coloca en paralelo con una ruta de señal (es decir, a tierra). Esto tiene un efecto opuesto al del condensador de acoplamiento discutido anteriormente. Aquí, actúa como un condensador de desacoplo, permitiendo que la CC continúe a lo largo de la ruta, mientras que desvía los componentes de la señal de alta frecuencia a tierra, actuando el condensador como una ruta de baja impedancia a tierra.
Un efecto similar ocurre cuando se coloca un condensador en paralelo con un elemento particular del circuito para desviar frecuencias no deseadas a su alrededor; esto se conoce como derivación.
El desacoplamiento y el desvío son importantes cuando existe la necesidad de eliminar la ondulación aleatoria de alta frecuencia no deseada y otras señales no deseadas causadas por el ruido aleatorio o las demandas repentinas de corriente generadas por elementos de circuito acompañantes.
Estas son solo algunas de las funciones básicas de los capacitores. Hay más funciones pero no profundizaremos en ellas, por ejemplo, el uso de capacitores en redes de filtros pasivos y activos, circuitos resonantes LC, etc.
Tipo 1: Condensador Electrolítico de Tantalio
Descripción
El condensador electrolítico de tantalio se ha convertido en uno de los tipos de condensador preferidos donde la alta fiabilidad y la larga vida útil son consideraciones clave.
Los condensadores de tantalio contienen electrolitos líquidos o sólidos. El electrolito líquido en los condensadores de tipo "wet-slug" y de lámina, generalmente ácido sulfúrico, forma la placa catódica (negativa). En los condensadores sólidos, un material seco, el dióxido de manganeso, forma la placa catódica.
El cable conductor del ánodo de tantalio consta de dos piezas: un cable de tantalio incrustado o soldado al pellet, que a su vez está soldado a un cable de níquel.
Ventajas
- Tamaño pequeño para una capacitancia dada
- Buena estabilidad de capacitancia en todo el rango de temperatura
- Corriente de fuga relativamente baja
- Buena fiabilidad cuando se utiliza dentro de las condiciones especificadas
- Valores de capacitancia útiles en diseños compactos
Desventajas
- Normalmente polarizado
- Más caros que los condensadores electrolíticos de aluminio
- Sensible a sobrecargas de corriente, voltaje inverso y sobrevoltaje
Aplicaciones
Los condensadores de tantalio no son adecuados para aplicaciones de almacenamiento o acoplamiento de alta frecuencia (HF) debido a su pobre resistencia de aislamiento e inductancia interna. Un condensador de tantalio se comporta más como un inductor que como un condensador por encima de unos pocos MHz.
Las aplicaciones de los condensadores de tantalio incluyen bloqueo, derivación, desacoplo, filtrado y temporización.
Típicamente utilizado como filtro de rizado en fuentes de alimentación o como filtro para desviar señales de baja frecuencia.
Tipo 2: Condensador Electrolítico de Aluminio
Descripción
Los condensadores electrolíticos de aluminio tienen un espacio entre sus placas de lámina lleno de una pasta química. Cuando se aplica un voltaje, una reacción química forma una capa de material aislante en la lámina.
Dado que los condensadores electrolíticos de aluminio proporcionan altos valores de capacitancia en paquetes pequeños a un precio asequible, son muy populares y es probable que los encuentre en casi todos los tipos de circuitos electrónicos.
Los valores de capacitancia típicos van desde aproximadamente 0.1 µF hasta 500000 µF.
Ventajas
- Valores de alta capacitancia a un costo relativamente bajo
- Ampliamente disponible en muchos tamaños y clasificaciones de voltaje
- Útil para filtrado de fuentes de alimentación y almacenamiento de energía a granel
- Buena relación capacitancia-costo
- Puede manejar altas corrientes y voltajes
Desventajas
- Normalmente polarizado
- Mayor corriente de fuga que los condensadores cerámicos o de película
- Mayor tolerancia y menor estabilidad que otros tipos de condensadores
- Mayor resistencia interna e inductancia
- Vida útil más corta que algunos tipos de condensadores no electrolíticos, especialmente a altas temperaturas
Aplicaciones
No son adecuados para aplicaciones de acoplamiento de alta frecuencia debido a su baja resistencia de aislamiento e inductancia interna.
Estos capacitores se utilizan en filtros de rizado en fuentes de alimentación, acoplamiento de audio y/o como filtro para eludir señales de baja frecuencia.
Un factor importante a tener en cuenta al tratar con este tipo de condensadores es que explotarán si se excede el voltaje de trabajo nominal o se invierte la polaridad. Por lo tanto, no se debe aplicar un voltaje de CA a través de un condensador electrolítico. Sin embargo, si se superpone un voltaje de CA a un voltaje de CC, asegúrese de que el valor pico no exceda la clasificación del voltaje.
Otra consideración clave es que los condensadores electrolíticos de aluminio no deben usarse si el potencial de CC está muy por debajo del voltaje de trabajo del condensador.
Tipo 3: Condensador de Vidrio
Descripción
Los capacitores dieléctricos de vidrio ofrecen las características de rendimiento y confiabilidad más altas disponibles en la industria de capacitores.
La construcción de capacitores de vidrio es bastante sencilla. Consisten en solo tres elementos:
- Dieléctrico de vidrio y carcasa
- Electrodos de aluminio
- Terminales de cable
Los capacitores se fabrican de manera multicapa con los terminales soldados a los electrodos para que no haya conexiones a presión que se suelten ni conexiones de soldadura que se derritan.
El dieléctrico se forma como una cinta continua de vidrio con propiedades y dimensiones físicas y eléctricas controladas con precisión.
Los capacitores dieléctricos de vidrio comprenden capas alternas de cinta de vidrio y el material del electrodo. Después del ensamblaje, las unidades se sellan juntas mediante alta temperatura y presión para formar un bloque monolítico robusto. Debido a que las terminales están fusionadas a la carcasa de vidrio, el sello no se puede romper sin destruir el capacitor.
Dado que estos condensadores son de estructura monolítica, no están necesariamente sellados herméticamente ya que el coeficiente de expansión térmica de los terminales no coincide con el de la carcasa.
Los capacitores de vidrio pueden estar encerrados en cajas de vidrio o esmalte vítreo apropiadamente protegidas contra las condiciones ambientales.
Los capacitores de vidrio están hechos de materiales inorgánicos y son muy resistentes a altas temperaturas de operación, ruptura dieléctrica y radiación nuclear. Los capacitores de vidrio no se convertirán en un peligro tóxico cuando se expongan a la radiación.
Ventajas
- Alta fiabilidad y estabilidad a largo plazo
- Baja absorción dieléctrica
- Alta resistencia de aislamiento
- Alto Q y baja pérdida en altas frecuencias
- Buen rendimiento a temperaturas elevadas
- Fuerte resistencia a la humedad, los golpes, la vibración y la radiación
Desventajas
- Mayor costo que tipos de condensadores más comunes
- Valores de capacitancia más bajos que muchos otros tipos de condensadores
- Tamaño mayor y coste más alto para una capacitancia dada
- Menos comunes y a veces más difíciles de conseguir que los tipos de condensadores estándar
Aplicaciones
Los capacitores de vidrio han visto típicamente una aplicación generalizada en aplicaciones militares, con nuevos diseños cada vez más grandes ocurriendo en los sectores aeroespacial y de alto rendimiento.
Los capacitores de vidrio se utilizan especialmente donde la fiabilidad es crítica y el reemplazo de una pieza defectuosa no es posible o práctico.
Los capacitores de vidrio tienen amplias aplicaciones que incluyen:
- Circuitos de alta temperatura
- Moduladores
- Filtros de salida del amplificador de RF
- Osciladores de frecuencia variable
- Acoplamiento de amplificador
- Muestreo y retención
- Supresores de voltaje
- Polarización de transistores
- Integradores de rampa
Tipo 4: Condensador cerámico
Descripción
Básicamente, estos capacitores se construyen con materiales como el titanato de bario para el dieléctrico. Internamente, estos capacitores no se construyen como una bobina, por lo que tienen baja inductancia.
Para satisfacer la demanda del mercado de condensadores cerámicos de alta densidad, se desarrollaron los condensadores cerámicos multicapa (MLCC), que incorporan múltiples capas impresas de placas de electrodos fabricadas con finas láminas cerámicas.
Los capacitores cerámicos se pueden clasificar en 3 tipos según sus características dieléctricas.
Clase 1 (Ultrarrápida)
Este es el condensador más estable, fabricado a partir de una mezcla de titanatos. Tiene un coeficiente de temperatura (TCs) muy predecible y, en general, no presenta características de envejecimiento.
El capacitor cerámico ultra estable más popular es el NP0 (0 ppm/°C negativo-positivo) o C0G (según la designación EIA).
Clase 2 (Semiestables)
Estos no son tan estables a la temperatura como los condensadores ultrarrígidos; no obstante, tienen una mayor capacidad electrostática.
Todos los capacitores semistables varían en valor de capacitancia bajo el efecto de la temperatura, el voltaje de operación (ac y dc) y la frecuencia.
Los capacitores semiestables son los más adecuados para aplicaciones donde los valores de alta capacitancia son esenciales, mientras que la estabilidad de Q sobre la temperatura no es una preocupación importante.
Clase 3 (HiK)
Este tipo tiene una alta constante dieléctrica o capacidad electrostática, pero tiene poca estabilidad, baja absorción dieléctrica y un alto coeficiente de voltaje, y es sensible a la vibración.
Hay muy poca deriva de temperatura, alto coeficiente de voltaje de disipación, alto coeficiente de frecuencia de capacitancia y una tasa de envejecimiento significativa.
Exhiben baja inductancia, una amplia gama de valores, un tamaño pequeño y tienen una mayor densidad que las cerámicas encapsuladas.
Generalmente son más adecuados para acoplamiento (bloqueo de CC) y derivación de fuente de alimentación.
Típicamente recomendado para aplicaciones lineales donde el rendimiento y la estabilidad no son de gran preocupación.
Aplicaciones
Los capacitores cerámicos están diseñados principalmente para su uso donde se requiere un tamaño físico pequeño con una capacitancia eléctrica comparativamente grande y una alta resistencia de aislamiento.
Las aplicaciones típicas de los condensadores cerámicos de propósito general incluyen:
- Acoplamiento resistivo-capacitivo para audio y radiofrecuencia
- RF y frecuencia intermedia potenciómetro de cátodo
- Compensación de tono
- Control de volumen automático de filtrado
- Control de volumen derivación RF
- Acoplamiento de antena
- Bypass de RF de la placa de audio
Consideraciones finales
Los capacitores desempeñan funciones importantes en circuitos electrónicos que van desde funciones simples como el almacenamiento de energía hasta funciones importantes como el bloqueo de CC o el bloqueo de CA.
Existen diferentes tipos de capacitores, utilizados para varias aplicaciones. Elegir el adecuado puede no ser una tarea tan fácil. Comprender los distintos tipos de capacitores, sus características y capacidades, te proporciona el conocimiento necesario para ayudarte a tomar una mejor decisión al elegir un capacitor para una aplicación dada.
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Preguntas frecuentes (PF)
R: No siempre. Depende del fabricante, del proyecto específico y de los requisitos del cliente. Para proyectos con exigencias de mayor fiabilidad, como la electrónica médica y automotriz, la inspección óptica automática (AOI) se realiza normalmente en cada placa.
Sí. Para proyectos con requisitos especiales de calidad, PCBCool puede seguir las prioridades de inspección definidas por el cliente, los criterios de aceptación, los rangos de tolerancia o los requisitos específicos de control de defectos.
John es un especialista experimentado en sistemas eléctricos, instrumentación, automatización de procesos y control industrial. Ha trabajado en la instalación de equipos, mantenimiento, pruebas de fábrica y puesta en marcha, lo que le ha proporcionado una perspectiva práctica sobre el rendimiento de los sistemas industriales en entornos operativos reales.
