¿QUÉ SON LOS CAPACITORES?

Los capacitores, elementos esenciales en el mundo de la electrónica, son dispositivos de almacenamiento de carga eléctrica que desempeñan un papel fundamental en una amplia gama de aplicaciones. Su capacidad para acumular y liberar energía en forma de campos eléctricos los convierte en componentes clave en circuitos electrónicos y eléctricos. Desde filtrar señales y estabilizar fuentes de alimentación hasta impulsar motores y temporizar eventos.

¿Cómo funciona un capacitor?

Un capacitor funciona almacenando energía en forma de carga eléctrica en un campo eléctrico entre dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico, que es un aislante eléctrico.

La unidad de medida en el sistema internacional de la capacitancia es el faradio (F). Un faradaio indica que la carga eléctrica que puede acumular un condensador eléctrico sometido a una tensión nominal de un voltio es 1 culombio (C).

La capacitancia es un número que indica que tanta carga es capaz de almacenar un objeto.

Un capacitor es un componente eléctrico de dos terminales.  Junto con las resistencias e inductores, son uno de los componentes pasivos más fundamentales que utilizamos.

Para entender su funcionamiento, consideremos los siguientes pasos:

1. Placas conductoras: Un capacitor consta de dos placas conductoras, generalmente hechas de materiales como aluminio o cerámica. Estas placas son conductoras de electricidad.
2. Material dieléctrico: Entre las dos placas se coloca un material dieléctrico, que es un aislante eléctrico. El dieléctrico puede ser aire, papel, plástico, cerámica, entre otros. El dieléctrico evita que las placas conductoras se toquen entre sí, lo que sería equivalente a un cortocircuito.
3. Carga inicial: Cuando se aplica una diferencia de potencial (tensión) entre las dos placas del capacitor, una de las placas adquiere una carga positiva y la otra una carga negativa. Esto ocurre porque los electrones son repelidos de la placa negativa y atraídos hacia la placa positiva.
4. Campo eléctrico: A medida que se acumulan más cargas en las placas, se forma un campo eléctrico entre ellas. Este campo eléctrico es la clave para el funcionamiento del capacitor y es lo que almacena la energía en forma de carga eléctrica.
5. Almacenamiento de energía: El capacitor almacena energía en forma de carga eléctrica en el campo eléctrico entre sus placas. La cantidad de energía almacenada está directamente relacionada con la tensión aplicada y la capacidad del capacitor.
6. Liberación de energía: Cuando se conecta el capacitor a un circuito, puede liberar la energía almacenada en forma de corriente eléctrica. Esta corriente fluirá desde una placa hacia la otra a medida que las cargas se desplacen a través del circuito.
7. Descarga y carga repetida: Los capacitores pueden cargarse y descargarse repetidamente, lo que los hace útiles en una variedad de aplicaciones, como suavizar señales eléctricas, temporizar eventos o almacenar energía temporalmente.

Carga y descarga

1. Carga de un capacitor:
   • Durante la carga de un capacitor, se acumula una carga eléctrica en las placas del capacitor a medida que se aplica un voltaje a través del circuito. En este proceso, el capacitor se comporta como un circuito abierto al principio y, a medida que se carga, su voltaje aumenta gradualmente.
   • La velocidad a la que se carga el capacitor depende de la constante de tiempo del circuito, que es el producto de la resistencia en el circuito y la capacitancia del capacitor. A medida que el capacitor se carga, la corriente que fluye a través del circuito disminuye exponencialmente hasta alcanzar su capacidad máxima, momento en el que el capacitor se considera completamente cargado.
2. Descarga de un capacitor:
   • Durante la descarga de un capacitor, la carga eléctrica almacenada en las placas del capacitor se libera a través del circuito conectado. Al interrumpir el suministro de voltaje, el capacitor descarga su energía acumulada, lo que provoca una disminución gradual en el voltaje a través del capacitor.
   • La velocidad a la que se descarga el capacitor sigue una curva exponencial que está determinada por la constante de tiempo del circuito. La descarga continúa hasta que el capacitor se descarga por completo, momento en el que su voltaje alcanza cero y el proceso se detiene.

Tipos de capacitores

• Capacitores cerámicos: Estos capacitores se diferencian por su construcción con cerámica y metal. Vienen en una variedad de tamaños y tienen una alta estabilidad a temperaturas extremas. Se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia debido a su baja resistencia en serie y su capacidad para manejar altas corrientes transitorias.

• Capacitores electrolíticos: Se diferencian por su uso de un electrolito para lograr una alta capacitancia en un tamaño relativamente pequeño. Los electrolíticos de aluminio son económicos y se utilizan en aplicaciones de baja frecuencia, mientras que los de tantalio ofrecen una mayor estabilidad y durabilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta tecnología y de precisión.

• Capacitores de película delgada: Estos capacitores se diferencian por su uso de una película delgada de material dieléctrico, como poliéster o polipropileno. Son conocidos por su estabilidad y precisión en aplicaciones que requieren una baja pérdida dieléctrica y una alta estabilidad a largo plazo, como en circuitos de temporización y en aplicaciones de audio de alta fidelidad.

• Capacitores de tantalio: Estos capacitores se diferencian por su uso de polvo de tantalio en su construcción, lo que les confiere una alta estabilidad y una baja resistencia en serie equivalente (ESR). Se utilizan en aplicaciones que requieren una alta estabilidad y una larga vida útil, como en equipos médicos y aeroespaciales.

• Capacitores de mica: Estos capacitores se diferencian por su uso de láminas delgadas de mica como dieléctrico. Son conocidos por su estabilidad en un amplio rango de temperaturas y frecuencias, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren una alta estabilidad y precisión, como en equipos de radiofrecuencia y de comunicaciones.

Aplicaciones más comunes de los capacitores

• Filtrado: El filtrado es el proceso de eliminar o atenuar ciertas frecuencias en una señal eléctrica. Los capacitores se utilizan en circuitos de filtrado para permitir el paso de señales de ciertas frecuencias mientras bloquean otras. 
  • Filtro de paso bajo: Un filtro de paso bajo permite que las señales de baja frecuencia pasen a través del circuito mientras que las señales de alta frecuencia son atenuadas. Este tipo de filtro es común en sistemas de audio para eliminar el ruido de alta frecuencia.
  • Filtro de paso alto: Un filtro de paso alto hace lo opuesto a un filtro de paso bajo, permitiendo que las señales de alta frecuencia pasen mientras que las de baja frecuencia son atenuadas. Un ejemplo de aplicación de un filtro de paso alto es en sistemas de comunicaciones, donde es necesario eliminar el ruido de baja frecuencia.
  • Filtro de paso de banda: Un filtro de paso de banda permite que solo las señales dentro de un rango específico de frecuencias pasen a través del circuito. Los capacitores se utilizan en combinación con inductores y resistencias para crear este tipo de filtro. Un ejemplo de aplicación es en sistemas de radio, donde se requiere sintonizar una frecuencia específica.

• Desacoplamiento: El desacoplamiento es el proceso de aislar un componente o circuito de las variaciones de voltaje y corriente en la fuente de alimentación.
  • Desacoplamiento en sistemas digitales: Implica el uso estratégico de capacitores de desacoplamiento cerca de componentes que consumen corriente de manera intermitente, como microprocesadores, para prevenir las fluctuaciones de corriente que podrían afectar otros elementos en el circuito.
  • Desacoplamiento en amplificadores de audio: Se refiere al empleo de capacitores de desacoplamiento para aislar el ruido eléctrico y las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación, evitando así que interfieran con la calidad de la señal de audio amplificada.
  • Desacoplamiento en sistemas de alimentación: Implica el uso de capacitores de desacoplamiento en fuentes de alimentación conmutadas para reducir el ruido y las oscilaciones de voltaje, garantizando una tensión de salida estable y confiable para los dispositivos conectados.
  • Desacoplamiento en sistemas de comunicación: Involucra el uso de capacitores de desacoplamiento en redes de datos y sistemas de telefonía móvil para minimizar las interferencias electromagnéticas y salvaguardar la integridad de las señales transmitidas.
  • Desacoplamiento en circuitos integrados: Implica el uso de capacitores de desacoplamiento en circuitos integrados para estabilizar las tensiones de alimentación y proteger los dispositivos sensibles de las fluctuaciones de voltaje y corriente. Estos capacitores suelen ubicarse cerca de los pines de alimentación de los circuitos integrados para garantizar una respuesta rápida a las fluctuaciones de corriente.

• Almacenamiento de energía
  • Almacenamiento de energía en sistemas de respaldo: Los capacitores son utilizados para proporcionar energía temporal en dispositivos críticos como servidores, sistemas de control industrial y dispositivos médicos en caso de fallos en la alimentación principal.
  • Almacenamiento de energía en sistemas de recuperación de energía: Los capacitores se emplean en sistemas de recuperación de energía, como frenos regenerativos en vehículos eléctricos, donde la energía generada durante la desaceleración se almacena para su uso posterior, mejorando la eficiencia energética y reduciendo el consumo.
  • Almacenamiento de energía en sistemas de arranque de motores: Los capacitores se usan en sistemas de arranque de motores eléctricos para proporcionar la energía inicial necesaria, reduciendo la demanda de corriente de la fuente de alimentación y mejorando la eficiencia energética.
  • Ultracapacitores y supercondensadores: Estos dispositivos de alta capacidad y alta potencia almacenan y liberan grandes cantidades de energía rápidamente, siendo ideales para aplicaciones que requieren picos de energía de alta potencia, como arranque de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable.
  • Memorias no volátiles: Los capacitores se utilizan en la fabricación de memorias no volátiles, como memorias flash y memorias de cambio de fase, donde la carga almacenada se utiliza para representar información en forma de bits, conservando la información incluso en ausencia de alimentación eléctrica.
  • Estabilización de la tensión en sistemas de alimentación: Los capacitores se emplean en sistemas de alimentación para almacenar energía y estabilizar las tensiones de salida, especialmente en aplicaciones que requieren una fuente de energía estable y confiable, como sistemas de comunicación, dispositivos médicos y sistemas de control industrial.

• Acoplamiento de señales
  • Amplificadores de audio: Los capacitores se emplean para acoplar las señales de entrada y salida, permitiendo la amplificación y transmisión de señales de audio mientras bloquean la corriente continua, protegiendo así el altavoz y preservando la integridad de la señal.
  • Transmisores y receptores de radiofrecuencia: En sistemas de comunicación inalámbrica como la radio y la telefonía móvil, los capacitores acoplan señales de radiofrecuencia entre diferentes etapas del circuito, facilitando la transmisión y recepción eficientes mientras aíslan las señales de corriente continua que podrían interferir o dañar los componentes.
  • Circuitos integrados de señal mixta: Los capacitores acoplan señales entre partes analógicas y digitales en un solo chip, permitiendo la transmisión sin interferencias entre diferentes secciones del circuito.
  • Acoplamiento de señales en sistemas de procesamiento de señales: Los capacitores se utilizan para acoplar señales entre sensores, convertidores analógico-digitales y procesadores de señales en sistemas de adquisición de datos y sistemas de control, permitiendo una transmisión y procesamiento eficiente de señales mientras bloquean señales de corriente continua que podrían causar errores o distorsiones.
  • Redes de comunicación por cable: Los capacitores se emplean para acoplar señales entre segmentos de cable o dispositivos de red, permitiendo la transmisión de señales de CA o RF a lo largo de la red mientras bloquean las señales de corriente continua que podrían causar interferencias o problemas de conexión a tierra.

 ¿Cómo se conectan los capacitores en serie y en paralelo?

• En un circuito en serie, la capacitancia total equivalente (Ceq) es menor que la capacidad de los capacitores individuales. Se suma de acuerdo con la fórmula: 1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + …, donde C1, C2, C3, etc. son las capacitancias individuales.
• En un circuito en paralelo, la capacitancia total equivalente es la suma de las capacidades individuales. Es decir, Ceq = C1 + C2 + C3 + …

¿Cuáles son las principales fallas y problemas asociados con los capacitores?

Algunas de las principales fallas y problemas asociados con los capacitores incluyen:

• Desgaste y envejecimiento: Con el tiempo, los materiales dieléctricos pueden degradarse, lo que provoca una disminución en la capacidad del capacitor y una posible falla prematura.
• Daño por voltaje excesivo: Si un capacitor se somete a un voltaje más alto que su clasificación de voltaje máximo, puede dañarse y fallar. Esto puede provocar un cortocircuito o incluso una explosión en casos extremos.
• Daño por temperatura excesiva: Los capacitores pueden dañarse si se exponen a temperaturas muy altas, lo que puede provocar una disminución en su capacidad o una falla total.
• Daño mecánico: Los capacitores pueden sufrir daños mecánicos debido a golpes, vibraciones o manipulación inadecuada. Este tipo de daño puede provocar una disminución en la capacidad del capacitor o una falla completa.

¿Cómo probar un capacitor?

• Usar un multímetro digital con lectura de capacitancia
  • Desconecta el capacitor del circuito al que pertenece.
  • Configura el multímetro en la opción de capacitancia.
  • Conecta los electrodos del multímetro en los terminales del capacitor. Conecta el electrodo positivo (rojo) del multímetro en el electrodo del ánodo y el negativo (negro) en el electrodo del cátodo del capacitor (en la mayoría de los capacitores, especialmente en los capacitores electrolíticos, el electrodo del ánodo es más largo que el del cátodo).
  • Observa la lectura del multímetro. Si la lectura de capacitancia del multímetro es cercana al valor impreso en el mismo capacitor, significa que está en buen estado. Si es significativamente menor al valor impreso en el capacitor (o directamente cero), significa que el capacitor está dañado.