Condensador

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Un condensador o capacitor es un dispositivo que almacena energía eléctrica en un campo eléctrico. Es un componente electrónico pasivo con dos terminales.

El efecto de un capacitor se conoce como capacitancia. Si bien existe cierta capacitancia entre dos conductores eléctricos en proximidad en un circuito, un capacitor es un componente diseñado para agregar capacitancia a un circuito. El condensador se conocía originalmente como condensator. Este nombre y sus afines todavía se usan ampliamente en muchos idiomas, pero rara vez en inglés, con una excepción notable que son los micrófonos de condensador, también llamados micrófonos de condensador.

La forma física y la construcción de los capacitores prácticos varían ampliamente y muchos tipos de capacitores son de uso común. La mayoría de los condensadores contienen al menos dos conductores eléctricos, a menudo en forma de placas o superficies metálicas separadas por un medio dieléctrico. Un conductor puede ser una lámina, una película delgada, una perla de metal sinterizado o un electrolito. El dieléctrico no conductor actúa para aumentar la capacidad de carga del capacitor. Los materiales comúnmente utilizados como dieléctricos incluyen vidrio, cerámica, película plástica, papel, mica, aire y capas de óxido. Los capacitores se usan ampliamente como partes de circuitos eléctricos en muchos dispositivos eléctricos comunes. A diferencia de una resistencia, un capacitor ideal no disipa energía, aunque los capacitores de la vida real disipan una pequeña cantidad (ver Comportamiento no ideal). Cuando se aplica una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre 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 positiva neta en una placa y una negativa neta. carga para recoger en la otra placa. 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 el tiempo suficiente, cesa la corriente a través del circuito fuente. Si se aplica un voltaje que varía con el tiempo a través de los cables del capacitor, la fuente experimenta una corriente constante debido a los ciclos de carga y descarga del capacitor. provocando que se acumule una carga positiva neta en una placa y una carga negativa neta en la otra placa. 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 el tiempo suficiente, cesa la corriente a través del circuito fuente. Si se aplica un voltaje que varía con el tiempo a través de los cables del capacitor, la fuente experimenta una corriente constante debido a los ciclos de carga y descarga del capacitor. provocando que se acumule una carga positiva neta en una placa y una carga negativa neta en la otra placa. 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 el tiempo suficiente, cesa la corriente a través del circuito fuente. Si se aplica un voltaje que varía con el tiempo a través de los cables del capacitor, la fuente experimenta una corriente constante 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 se conocieron como frascos de Leyden. Hoy en día, los condensadores se utilizan ampliamente en los 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 energía. La propiedad de almacenamiento de energía en capacitores fue explotada como memoria dinámica en las primeras computadoras digitales, y todavía lo es en la DRAM moderna.

Historia

Condensador de Leyden jars en el Museo Boerhaave.

En octubre de 1745, Ewald Georg von Kleist de Pomerania, Alemania, descubrió que la carga podía almacenarse conectando un generador electrostático de alto voltaje mediante un cable a un volumen de agua en un frasco de vidrio manual. La mano de Von Kleist y el agua actuaron como conductores y la jarra como dieléctrico (aunque los detalles del mecanismo se identificaron incorrectamente en ese momento). Von Kleist descubrió que al tocar el cable se producía una poderosa chispa, mucho más dolorosa que la que se obtiene con una máquina electrostática. Al año siguiente, el físico holandés Pieter van Musschenbroek inventó un condensador similar, que recibió el nombre de botella de Leyden, en honor a la Universidad de Leiden donde trabajaba. También quedó impresionado por el poder de la conmoción que recibió y escribió: "No aceptaría una segunda conmoción por el reino de Francia".

Daniel Gralath fue el primero en combinar varios frascos en paralelo para aumentar la capacidad de almacenamiento de carga. Benjamin Franklin investigó la botella de Leyden y llegó a la conclusión de que la carga estaba almacenada en el vidrio, no en el agua como otros habían supuesto. También adoptó el término "batería" (que denota el aumento de potencia con una fila de unidades similares a las de una batería de cañón), posteriormente aplicado a grupos de celdas electroquímicas. Los frascos de Leyden se fabricaron más tarde recubriendo el interior y el exterior de los frascos con papel de aluminio, dejando un espacio en la boca para evitar la formación de arcos entre los papeles. La primera unidad de capacitancia fue la jarra, equivalente a alrededor de 1,11 nanofaradios.

Las botellas de Leyden o dispositivos más potentes que empleaban placas de vidrio planas que alternaban con conductores de lámina se utilizaron exclusivamente hasta alrededor de 1900, cuando la invención de la tecnología inalámbrica (radio) creó una demanda de condensadores estándar y el movimiento constante hacia frecuencias más altas requería condensadores con menor inductancia. Se comenzaron a utilizar métodos de construcción más compactos, como una hoja dieléctrica flexible (como papel aceitado) intercalada entre hojas de papel de aluminio, enrollada o doblada en un paquete pequeño.

Los primeros capacitores se conocían como condensadores, un término que todavía se usa ocasionalmente en la actualidad, particularmente en aplicaciones de alta potencia, como los sistemas automotrices. El término fue utilizado por primera vez para este propósito por Alessandro Volta en 1782, con referencia a la capacidad del dispositivo para almacenar una mayor densidad de carga eléctrica que la que era posible con un conductor aislado. El término quedó en desuso debido al significado ambiguo de condensador de vapor, y condensador se convirtió en el término recomendado a partir de 1926.

Desde el comienzo 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 para 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 fines del siglo XIX; su fabricación comenzó en 1876, y se utilizaron desde principios del siglo XX como condensadores de desacoplamiento en telefonía.

La porcelana se utilizó en los primeros condensadores cerámicos. En los primeros años del aparato transmisor inalámbrico de Marconi, se usaban condensadores de porcelana para aplicaciones de alta tensión y alta frecuencia en los transmisores. En el lado del receptor, se utilizaron condensadores de mica más pequeños para circuitos resonantes. Los condensadores de mica fueron inventados en 1909 por William Dubilier. Antes de la Segunda Guerra Mundial, la mica era el dieléctrico más común para los capacitores en los Estados Unidos.

Charles Pollak (nacido como 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 alimentación. En 1896 se le concedió la patente de EE. UU. n.º 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 químicos orgánicos durante la Segunda Guerra Mundial, la industria de los capacitores comenzó a reemplazar el papel con películas de polímero más delgadas. Un desarrollo muy temprano en condensadores de película se describió en la patente británica 587.953 en 1944.

Los condensadores eléctricos de doble capa (ahora supercondensadores) se inventaron en 1957 cuando H. Becker desarrolló un "condensador electrolítico de bajo voltaje con electrodos de carbono poroso". Él creía que la energía se almacenaba como una carga en los poros de carbono utilizados en su condensador como en los poros de las láminas grabadas de los condensadores electrolíticos. Debido a que él no conocía el mecanismo de doble capa en ese momento, escribió en la patente: "No se sabe exactamente qué está sucediendo en el componente si se usa para almacenar energía, pero conduce a una capacidad extremadamente alta. "

El condensador de semiconductor de óxido de metal (condensador MOS) se origina en la estructura del transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal (MOSFET), donde el condensador MOS está flanqueado por dos regiones dopadas. La estructura MOSFET fue inventada por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. Posteriormente, el capacitor MOS se adoptó ampliamente como capacitor de almacenamiento en chips de memoria y como componente básico del dispositivo de carga acoplada (CCD) en Tecnología de sensor de imagen. En la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), cada celda de memoria generalmente consta de un condensador MOSFET y MOS.

Teoría de operación

(inglés) tipos de condensadores, fijo, polarizado y variables, según su representación

Visión de conjunto

Un condensador consta de dos conductores separados por una región no conductora. 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 empobrecimiento 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 opuesta, por lo que se inducirá una carga de polaridad opuesta en la superficie del otro conductor. Así, los conductores tienen cargas iguales y opuestas en sus superficies enfrentadas, y el dieléctrico desarrolla un campo eléctrico.

Un capacitor 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:

Una capacitancia de un faradio (F) significa que un culombio de carga en cada conductor provoca un voltaje de un voltio en el dispositivo. Debido a que los conductores (o placas) están muy juntos, las cargas opuestas en los conductores se atraen entre sí debido a sus campos eléctricos, lo que permite que el capacitor almacene más carga para un voltaje dado que cuando los conductores están separados, lo que produce una capacitancia mayor.

En los dispositivos prácticos, la acumulación de carga a veces afecta mecánicamente al capacitor, lo que hace 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, los portadores de carga que fluyen a través de un cable son análogos al agua que fluye a través de una tubería. Un condensador es como una membrana de goma sellada dentro de una tubería. Las moléculas de agua no pueden atravesar la membrana, pero algo de agua puede moverse estirando la membrana. 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: al igual 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 capacitor y disminuir la carga de la otra placa en la misma cantidad. Esto es como 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 hacia atrás" contra la corriente de carga, aumentando el diferencial de presión entre los dos lados.
La carga puede fluir "a través" de un capacitor 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 fuera del lado de baja presión, aunque ninguna molécula de agua pueda pasar a través de la membrana de goma. El flujo no puede continuar en la misma dirección para siempre; el capacitor 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 dada. La elasticidad de la membrana es análoga a la capacitancia. Una membrana muy elástica y flexible se expandirá más con un diferencial de presión dado, lo que permitirá que fluya un mayor volumen de agua hacia el lado de alta presión. Esto corresponde a una capacitancia más alta que una membrana rígida.
Un condensador cargado almacena energía potencial, de manera análoga a una membrana estirada.

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

En un circuito, un capacitor puede comportarse de manera diferente en diferentes instantes de tiempo. Sin embargo, generalmente es fácil pensar en el límite de tiempo corto y el límite de tiempo largo:

En el límite de tiempo prolongado, después de que la corriente de carga/descarga haya saturado el capacitor, no entraría (o saldría) corriente de ninguno de los lados del capacitor; Por lo tanto, la equivalencia a largo plazo del capacitor es un circuito abierto.
En el límite de tiempo corto, si el condensador arranca con una determinada tensión V, dado que en ese instante se conoce la caída de tensión en el condensador, podemos sustituirlo por una fuente de tensión ideal de tensión V. En concreto, si V=0 (condensador está descargado), la equivalencia a corto plazo de un condensador es un cortocircuito.

Condensador de placas paralelas

El modelo más simple de un capacitor consta de dos delgadas placas conductoras paralelas, cada una con un área de $UN$ separadas por un espacio uniforme de espesor $d$ lleno de un dieléctrico con permitividad $varepsilon$ . Se supone que el espacio $d$ es mucho más pequeño que las dimensiones de las placas. Este modelo se aplica bien a muchos capacitores prácticos que están construidos con láminas de metal separadas por una capa delgada de dieléctrico aislante, ya que los fabricantes tratan de mantener el dieléctrico muy uniforme en espesor para evitar puntos delgados que pueden causar fallas en el capacitor.

Dado que la separación entre las placas es uniforme sobre el área de la placa, el campo eléctrico entre las placas $mi$ es constante y se dirige perpendicularmente a la superficie de la placa, excepto en un área cerca de los bordes de las placas donde el campo disminuye porque las líneas de campo eléctrico " sobresalir" de los lados del capacitor. Esta área de "campo marginal" tiene aproximadamente el mismo ancho que la separación de la placa $d$ , y suponiendo $d$ que es pequeña en comparación con las dimensiones de la placa, es lo suficientemente pequeña como para ignorarla. Por lo tanto, si se coloca una carga de ${ estilo de visualización + Q}$ en una placa y ${ estilo de visualización -Q}$ en la otra placa (la situación de las placas con carga desigual se analiza más adelante), la carga en cada placa se distribuirá uniformemente en una capa de carga superficial de densidad de carga constante. ${displaystyle sigma =pm P/R}$ culombios por metro cuadrado, en la superficie interior de cada placa. De la ley de Gauss, la magnitud del campo eléctrico entre las placas es ${displaystyle E=sigma /varepsilon}$ . El voltaje (diferencia) $V$ 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 V=int _{0}^{d}E(z),mathrm {d} z=Ed={frac {sigma }{varepsilon}}d={frac {Qd} { varepsilon A}}}

La capacitancia se define como $C = Q/V$ . Sustituyendo $V$ lo anterior en esta ecuación

Por lo tanto, en un capacitor, la capacitancia más alta se logra con un material dieléctrico de alta permitividad, un área de placa grande y una separación pequeña entre las placas.

Dado que el área $UN$ de las placas aumenta con el cuadrado de las dimensiones lineales y la separación $d$ aumenta linealmente, la capacitancia escala con la dimensión lineal de un capacitor ( ${displaystyle Cvarpropto L}$ ), o como la raíz cúbica del volumen.

Un capacitor de placas paralelas solo puede almacenar una cantidad finita de energía antes de que ocurra la ruptura dieléctrica. El material dieléctrico del capacitor tiene una rigidez dieléctrica U _d que establece el voltaje de ruptura del capacitor en V = V _bd = U _dd. Por tanto, la energía máxima que puede almacenar el condensador es

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

La energía máxima es una 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 cambios en la cantidad máxima de energía que el capacitor puede almacenar, siempre que la distancia entre las placas sea mucho menor que la longitud y el ancho de las placas. Además, estas ecuaciones asumen que el campo eléctrico está completamente concentrado en el dieléctrico entre las placas. En realidad, existen campos marginales fuera del dieléctrico, por ejemplo, entre los lados de las placas del capacitor, que aumentan la capacitancia efectiva del capacitor. Esto a veces se denomina capacitancia parásita. Para algunas geometrías de capacitores simples, este término de capacitancia adicional se puede calcular analíticamente.Se vuelve insignificantemente pequeño cuando las relaciones entre el ancho de la placa y la separación y entre la longitud y la separación son grandes.

Para placas cargadas de manera desigual:

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

Condensador intercalado

Para $norte$ el número de placas en un capacitor, la capacitancia total sería

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

donde ${displaystyle C=varepsilon _{o}A/d}$ es la capacitancia para una sola placa y $norte$ es el número de placas intercaladas.

Como se muestra en la figura de la derecha, las placas intercaladas se pueden ver como placas paralelas conectadas entre sí. Cada par de placas adyacentes actúa como un capacitor separado; el número de pares es siempre uno menos que el número de placas, de ahí el $(n-1)$ multiplicador.

Energía almacenada en un capacitor

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. Si el voltaje en el capacitor es $V$ , el trabajo ${ estilo de visualización dW}$ requerido para mover un pequeño incremento de carga $dq$ de la placa negativa a la positiva es ${displaystyle dW=Vdq}$ . La energía se almacena en el aumento del campo eléctrico entre las placas. La energía total $W$ almacenada en un capacitor (expresada en julios) es igual al trabajo total realizado para establecer el campo eléctrico desde un estado sin carga.

{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}}

donde $q$ está la carga almacenada en el capacitor, $V$ es el voltaje a través del capacitor y $C$ es la capacitancia. Esta energía potencial permanecerá en el capacitor hasta que se elimine la carga. Si se permite que la carga regrese de la placa positiva a la negativa, por ejemplo conectando un circuito con resistencia entre las placas, la carga que se mueve bajo la influencia del campo eléctrico realizará un trabajo en el circuito externo.

Si el espacio entre las placas del condensador $d$ 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 ${ estilo de visualización E = V / d}$ . En este caso, la energía almacenada se puede calcular a partir de la intensidad del campo eléctrico.

{displaystyle W={frac {1}{2}}CV^{2}={frac {1}{2}}{frac {varepsilon A}{d}}left(Edright) ^{2}={frac {1}{2}}varepsilon AdE^{2}={frac {1}{2}}varepsilon E^{2}({text{volumen de campo eléctrico} })}

La última fórmula anterior es igual a la densidad de energía por unidad de volumen en el campo eléctrico multiplicada por el volumen de campo entre las placas, lo que confirma que la energía en el condensador se almacena en su campo eléctrico.

Relación corriente-voltaje

La corriente I (t) a través de cualquier componente de un circuito eléctrico se define como la tasa de flujo de una carga Q (t) que lo atraviesa, pero las cargas reales (electrones) no pueden atravesar la capa dieléctrica de un capacitor. Más bien, se acumula un electrón 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 lo tanto, la carga en los electrodos es igual a la integral de la corriente y proporcional al voltaje, como se discutió anteriormente. Como con cualquier antiderivada, se agrega una constante de integración para representar el voltaje inicial V (t0 ₎. Esta es la forma integral de la ecuación del capacitor:

{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:

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

para C independiente del tiempo, voltaje y carga eléctrica.

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 de CC

Un circuito en serie que contiene solo una resistencia, un capacitor, un interruptor y una fuente de CC constante de voltaje V ₀ se conoce como circuito de carga. Si el capacitor inicialmente está 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{resistencia}}(t)+v_{text{condensador}}(t)=i(t)R+{frac {1}{C}}int _ {t_{0}}^{t}i(tau),mathrm {d} tau }

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

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

En t = 0, el voltaje en el capacitor es cero y el voltaje en la resistencia es V ₀. La corriente inicial es entonces I (0) = V ₀ / R. Con esta suposición, al resolver la ecuación diferencial se obtiene

{displaystyle {begin{alineado}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{alineado}}}

donde τ ₀ = RC es la constante de tiempo del sistema. A medida que el capacitor alcanza el equilibrio con el voltaje de la fuente, los voltajes a través de la resistencia y la corriente a través de todo el circuito decaen exponencialmente. En el caso de un capacitor que se descarga, el voltaje inicial del capacitor (V _Ci) reemplaza a V ₀. Las ecuaciones se convierten

{displaystyle {begin{alineado}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 {alineado}}}

Circuitos de CA

La impedancia, la suma vectorial de la reactancia y la resistencia, describe la diferencia de fase y la relación de amplitudes entre el voltaje que varía sinusoidalmente y la corriente que varía sinusoidalmente a una frecuencia dada. El análisis de Fourier permite construir cualquier señal a partir de un espectro de frecuencias, de donde se puede encontrar la reacción del circuito a las distintas frecuencias. La reactancia y la impedancia de un capacitor son respectivamente

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

donde j es la unidad imaginaria y ω es la frecuencia angular de la señal sinusoidal. La fase − j indica que el voltaje de CA V = ZI se retrasa 90° con respecto a la corriente de CA: la fase de corriente positiva corresponde al aumento del voltaje a medida que se carga el capacitor; la corriente cero corresponde a la tensión constante instantánea, etc.

La impedancia disminuye con el aumento de la capacitancia y el aumento de la frecuencia. Esto implica que una señal de mayor frecuencia o un capacitor 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, por lo que un condensador es casi un circuito abierto en el análisis de CA: esas frecuencias se han "filtrado".

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

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

{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 (indicada como X _C).

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

X _C tiende a cero cuando ω tiende a infinito. Si X _C se aproxima a 0, el capacitor se parece a un cable corto que pasa corriente con fuerza a altas frecuencias. X _C tiende a infinito cuando ω tiende a cero. Si X _C se acerca al infinito, el capacitor se parece a un circuito abierto que pasa mal las bajas frecuencias.

La corriente del capacitor puede expresarse en forma de cosenos para comparar 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 el voltaje en +π/2 radianes o +90 grados, es decir, la corriente adelanta al voltaje en 90°.

Análisis del circuito de Laplace (dominio s)

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

donde

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

Análisis de circuitos

Para capacitores en paraleloLos condensadores en una configuración en paralelo tienen cada uno el mismo voltaje aplicado. Sus capacidades se suman. La carga se distribuye 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 capacitores en serieConectados en serie, el diagrama esquemático revela que se suma la distancia de separación, no el área de la placa. 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 extremo a extremo se distribuye a cada capacitor de acuerdo con el inverso 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 las placas, se suman si la capacitancia y las corrientes de fuga para cada capacitor son idénticas. En tal aplicación, 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 condensadores en serie, se deben aplicar algunas consideraciones de seguridad para garantizar que un condensador que falla y pierde corriente no aplique demasiado voltaje a los otros condensadores en serie.La conexión en serie también se usa a veces para adaptar capacitores 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 $izquierda(Aderecha)$ conectado en paralelo a una cadena de capacitores en serie $left(B_{text{n}}right)$ :

{displaystyle {begin{alineado}{text{(voltios)}}A_{mathrm {eq} }&=Aleft(1-{frac {1}{n+1}}right) {text{(voltios)}}B_{text{1..n}}&={frac {A}{n}}left(1-{frac {1}{n+1}} right)\AB&=0end{alineado}}}

Nota: Esto solo 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{voltios}}left(A_{text{faradios}}+B_ {text{faradios}}right)}

Comportamiento no ideal

(inglés) partes de un condensador paralelo

Los condensadores reales se desvían de la ecuación del condensador ideal de varias maneras. Algunos de estos, como la corriente de fuga y los efectos parásitos, son lineales, o pueden analizarse como casi lineales, y pueden tratarse agregando componentes virtuales al circuito equivalente de un capacitor ideal. Entonces se pueden aplicar los métodos usuales de análisis de redes.En otros casos, como con el voltaje de ruptura, el efecto es no lineal y no se puede usar el análisis de red ordinario (normal, por ejemplo, lineal), el efecto debe tratarse por separado. Existe aún otro grupo, que puede ser lineal pero invalida la suposición en el análisis de que la capacitancia es una constante. Tal ejemplo es la dependencia de la temperatura. Finalmente, los efectos parásitos combinados, como la inductancia inherente, la resistencia o las pérdidas dieléctricas, pueden exhibir un comportamiento no uniforme a frecuencias de operación variables.

Cortocircuito

Por encima de una fuerza de campo eléctrico particular, conocida como fuerza dieléctrica E _ds, el dieléctrico en un capacitor se vuelve conductor. La tensión a la que esto ocurre se denomina tensión de ruptura del dispositivo, y viene dada por el producto de la rigidez dieléctrica y la separación entre los conductores,

{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 a la escala de la capacitancia y el voltaje de ruptura con el grosor del dieléctrico, todos los capacitores fabricados con un dieléctrico en particular tienen aproximadamente la misma densidad de energía máxima, en la medida en que el dieléctrico domina su volumen.

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 aceite, 15–25 MV/m; puede ser mucho menor cuando se utilizan otros materiales para el dieléctrico. 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 electrónicas generales van 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 tales 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 ruptura sigue rápidamente a través del dieléctrico hasta que llega a la placa opuesta, dejando carbón atrás y provocando un circuito corto (o de resistencia relativamente baja). Los resultados pueden ser explosivos, ya que el cortocircuito en el capacitor extrae corriente del circuito circundante y disipa la energía. Sin embargo, en condensadores con dieléctricos particulares y electrodos metálicos delgados, no se forman cortocircuitos después de la ruptura. Ocurre porque un metal se derrite o se evapora en las proximidades de una avería, aislándolo del resto del condensador.

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, lo que provoca la conducción. Son posibles otros escenarios, como impurezas en el dieléctrico y, si el dieléctrico es de naturaleza cristalina, las imperfecciones en la estructura cristalina pueden provocar una ruptura por avalancha como se ve en los dispositivos semiconductores. La tensión de ruptura también se ve afectada por la presión, la humedad y la temperatura.

Circuito equivalente

Un capacitor ideal solo almacena y libera energía eléctrica, sin disiparla. En realidad, todos los capacitores tienen imperfecciones dentro del material del capacitor que crean resistencia. Esto se especifica como la resistencia en serie equivalente o ESR de un componente. Esto agrega un componente real a la impedancia:

{displaystyle Z_{text{C}}=Z+R_{text{ESR}}={frac {1}{jomega C}}+R_{text{ESR}}}

A medida que la frecuencia se acerca al infinito, la impedancia capacitiva (o reactancia) se acerca a cero y la ESR se vuelve significativa. A medida que la reactancia se vuelve insignificante, la disipación de potencia se aproxima a P _RMS = V _RMS / R _ESR.

De manera similar a ESR, los cables del capacitor agregan una inductancia en serie equivalente o ESL al componente. Esto suele ser significativo solo a frecuencias relativamente altas. Como la reactancia inductiva es positiva y aumenta con la frecuencia, por encima de cierta frecuencia, la capacitancia es cancelada por la inductancia. La ingeniería de alta frecuencia implica tener en cuenta la inductancia de todas las conexiones y componentes.

Si los conductores están separados por un material con una conductividad pequeña en lugar de un dieléctrico perfecto, una pequeña corriente de fuga fluye directamente entre ellos. Por lo tanto, el capacitor tiene una resistencia paralela finita y se descarga lentamente con el tiempo (el tiempo puede variar mucho según el material y la calidad del capacitor).

Factor Q

El factor de calidad (o Q) de un capacitor es la relación entre su reactancia y su resistencia a una frecuencia determinada y es una medida de su eficiencia. Cuanto mayor sea el factor Q del capacitor, más se acercará al comportamiento de un capacitor ideal.

El factor Q de un condensador se puede encontrar a través de la siguiente fórmula:

{displaystyle Q={frac {X_{C}}{R}}={frac {1}{omega CR}}}

donde $omega$ es la frecuencia angular, $C$ es la capacitancia, $X_{C}$ es la reactancia capacitiva y $R$ es la resistencia en serie equivalente (ESR) del capacitor.

Corriente de rizado

La corriente de ondulación es el componente de CA de una fuente aplicada (a menudo, una fuente de alimentación conmutada) cuya frecuencia puede ser constante o variable. La corriente de ondulación hace que se genere calor dentro del capacitor debido a las pérdidas dieléctricas causadas por la fuerza de campo cambiante 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 uno agregaría a un capacitor perfecto para modelar esto.

Algunos tipos de condensadores, principalmente los condensadores electrolíticos de tantalio y aluminio, así como algunos condensadores de película, tienen un valor nominal específico para la corriente de ondulación máxima.

Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso sólido están limitados por la corriente de ondulación y, por lo general, tienen las clasificaciones de 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 la esperanza de vida a corrientes de ondulación más altas. Si la corriente de ondulación supera el valor nominal del condensador, tiende a provocar una falla explosiva.
Los condensadores cerámicos generalmente no tienen limitación de corriente de ondulación y tienen algunas de las clasificaciones de ESR más bajas.
Los capacitores de película tienen clasificaciones de ESR muy bajas, pero exceder la corriente de ondulación nominal puede causar fallas por degradación.

Inestabilidad de capacitancia

La capacitancia de ciertos capacitores disminuye a medida que envejece el componente. En los capacitores cerámicos, esto es causado por la degradación del dieléctrico. El tipo de dieléctrico, la temperatura ambiente de funcionamiento y de almacenamiento son los factores de envejecimiento más significativos, mientras que la tensión de funcionamiento suele tener un efecto menor, es decir, el diseño habitual de los condensadores minimiza el coeficiente de tensión. El proceso de envejecimiento puede revertirse calentando el componente por encima del punto de Curie. El envejecimiento es más rápido cerca del comienzo de la vida útil del componente y el dispositivo se estabiliza con el tiempo. Los capacitores electrolíticos envejecen a medida que el electrolito se evapora. A diferencia de los condensadores cerámicos, esto ocurre hacia el final de la vida útil del componente.

La dependencia de la temperatura de la capacitancia generalmente se expresa en partes por millón (ppm) por °C. Por lo general, se puede tomar como una función ampliamente lineal, pero puede ser notablemente no lineal en los extremos de temperatura. El coeficiente de temperatura puede ser positivo o negativo, a veces incluso entre diferentes muestras del mismo tipo. En otras palabras, la dispersión en el rango de coeficientes de temperatura puede abarcar cero.

Los capacitores, especialmente los capacitores cerámicos y los diseños más antiguos, como los capacitores de papel, pueden absorber las ondas de sonido y producir un efecto microfónico. La vibración mueve las placas, lo que hace que la capacitancia varíe, lo que a su vez induce corriente CA. Algunos dieléctricos también generan piezoelectricidad. La interferencia resultante es especialmente problemática en las aplicaciones de audio, lo que puede causar retroalimentación o grabación no deseada. En el efecto microfónico inverso, el campo eléctrico variable entre las placas del condensador ejerce una fuerza física, moviéndolas como un altavoz. Esto puede generar un sonido audible, pero consume energía y tensiona el dieléctrico y el electrolito, si lo hay.

Inversión de corriente y tensión

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 de la tensión nominal máxima 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 circuitos de CC y circuitos pulsados, la inversión de corriente y voltaje se ve afectada por la amortiguación del sistema. La inversión de voltaje se encuentra en los 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 la dirección varias veces, siendo cada pico más bajo que el anterior, hasta que el sistema alcanza el equilibrio. Esto a menudo se conoce como timbre. En comparación, los sistemas críticamente amortiguados o sobreamortiguados generalmente no experimentan una inversión de voltaje. La inversión también se encuentra en los circuitos de CA, donde la corriente máxima es igual en cada dirección.

Para una vida útil máxima, los condensadores generalmente deben poder manejar la cantidad máxima 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 un exceso de campos eléctricos en el dieléctrico, provoca un calentamiento excesivo tanto del dieléctrico como de los conductores, y puede acortar drásticamente la vida útil del capacitor. Las clasificaciones de inversión a menudo afectan las consideraciones de diseño del capacitor, desde la elección de los materiales dieléctricos y las clasificaciones de voltaje hasta los tipos de conexiones internas utilizadas.

Absorción dieléctrica

Los condensadores fabricados con cualquier tipo de material dieléctrico muestran algún nivel de "absorción dieléctrica" o "remojo". Al descargar un condensador y desconectarlo, al poco tiempo puede desarrollar 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 el electrolítico de tantalio o la película de polisulfona exhiben una absorción relativamente alta, mientras que el poliestireno o el teflón permiten niveles de absorción muy pequeños.En algunos capacitores donde existen voltajes y energías peligrosas, como en tubos de flash, televisores y desfibriladores, la absorción dieléctrica puede recargar el capacitor a voltajes peligrosos después de que se haya cortocircuitado o descargado. Cualquier condensador que contenga más de 10 julios de energía generalmente se considera peligroso, mientras que 50 julios o más es potencialmente letal. Un capacitor puede recuperar entre 0,01 y 20 % de su carga original en un período de varios minutos, lo que permite que un capacitor aparentemente seguro se vuelva sorprendentemente peligroso.

Fuga

La fuga es equivalente a una resistencia en paralelo con el condensador. La exposición constante al calor puede provocar una ruptura dieléctrica y una fuga excesiva, un problema que se observa a menudo en los circuitos de válvulas de vacío más antiguos, en particular cuando se usaban capacitores de lámina y papel engrasado. En muchos circuitos de tubos de vacío, los condensadores de acoplamiento entre etapas se utilizan para conducir una señal variable desde la placa de un tubo hasta el circuito de rejilla de la siguiente etapa. Un condensador con fugas puede hacer que el voltaje del circuito de la rejilla se eleve desde su configuración de polarización normal, causando 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, e incluso que fallen. Se aplican consideraciones similares a los amplificadores de estado sólido (transistor) fabricados por componentes,

Falla electrolítica 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 la próxima vez que se operan.

Esperanza de vida

Todos los condensadores tienen una vida útil variable, según su construcción, condiciones operativas y condiciones ambientales. Los condensadores cerámicos de estado sólido generalmente tienen una vida útil muy larga bajo un uso normal, que depende poco de factores como la vibración o la temperatura ambiente, pero factores como la humedad, el estrés mecánico y la fatiga juegan un papel principal en su falla. Los modos de falla pueden diferir. Algunos capacitores pueden experimentar una pérdida gradual de capacitancia, aumento de fugas o un aumento en la resistencia en serie equivalente (ESR), mientras que otros pueden fallar repentinamente o incluso catastróficamente. Por ejemplo, los capacitores de película metálica son más propensos a dañarse por el estrés y la humedad, pero se recuperarán solos cuando ocurra una falla en el dieléctrico. La formación de una descarga luminiscente en el punto de falla evita la formación de arco al vaporizar la película metálica en ese punto, neutralizando cualquier cortocircuito con una pérdida mínima de capacitancia. Cuando se acumulan suficientes orificios en la película, se produce una falla total en un capacitor de película metálica, que generalmente ocurre repentinamente sin previo aviso.

Los capacitores electrolíticos generalmente tienen 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 juegan un papel importante en su falla, que se produce gradualmente como un aumento en la ESR (hasta un 300 %) y una disminución del 20 %. capacidad. Los capacitores contienen electrolitos que eventualmente se difundirán a través de los sellos y se evaporarán. Un aumento en la temperatura también aumenta la presión interna y aumenta la velocidad de reacción de los productos químicos. Por lo tanto, la vida útil de un condensador electrolítico generalmente se define mediante una modificación de la ecuación de Arrhenius, que se utiliza para determinar las velocidades de reacción química:

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

Los fabricantes a menudo usan esta ecuación para proporcionar una vida útil esperada, en horas, para los capacitores electrolíticos cuando se usan a su temperatura de funcionamiento diseñada, que se ve afectada tanto por la temperatura ambiente, la ESR y la corriente de ondulación. Sin embargo, estas condiciones ideales pueden no existir en todos los usos. La regla general para predecir la vida útil en diferentes condiciones de uso está determinada por:

{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 centígrados que aumenta la temperatura, donde:

$L_{0}$ es la vida nominal en condiciones nominales, por ejemplo, 2000 horas
$T_{0}$ es la temperatura de funcionamiento nominal máx./mín.
$Ejército de reserva}$ es la temperatura promedio de operación
$La}$ es la vida útil esperada bajo condiciones dadas

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 empaque del dispositivo afectan fuertemente las características del capacitor y sus aplicaciones.

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

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

Materiales dieléctricos

La mayoría de los condensadores tienen un espaciador dieléctrico, que aumenta su capacitancia en comparación con el aire o el vacío. Para maximizar la carga que puede contener un capacitor, el material dieléctrico debe tener una permitividad lo más alta posible y, al mismo tiempo, un voltaje de ruptura lo más alto posible. El dieléctrico también debe tener una pérdida con la frecuencia lo más baja posible.

Sin embargo, los capacitores de bajo valor están disponibles con un vacío entre sus placas para permitir una operación de voltaje extremadamente alto y pérdidas bajas. Los condensadores variables con sus placas abiertas a la atmósfera se usaban comúnmente en los circuitos de sintonización de radio. Los diseños posteriores utilizan dieléctrico de lámina de polímero entre las placas móviles y estacionarias, sin espacio de aire significativo entre las placas.

Hay varios dieléctricos sólidos disponibles, incluidos papel, plástico, vidrio, mica y cerámica.

El papel se usó ampliamente en condensadores más antiguos y ofrece un rendimiento de voltaje relativamente alto. Sin embargo, el papel absorbe la humedad y ha sido reemplazado en gran medida por condensadores de película plástica.

La mayoría de las películas plásticas que se utilizan ahora ofrecen una mejor estabilidad y rendimiento frente al envejecimiento que los dieléctricos más antiguos, como el papel aceitado, 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 grandes se utilizan ampliamente en circuitos de supresión, circuitos de arranque de motores y circuitos de corrección del factor de potencia.

Los capacitores 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 capacitores cerámicos se clasifican ampliamente como dieléctricos de clase 1, que tienen una variación predecible de capacitancia con la temperatura o dieléctricos de clase 2, que pueden operar a un voltaje más alto. Las cerámicas multicapa modernas suelen ser bastante pequeñas, pero algunos tipos tienen tolerancias de valor inherentemente amplias, problemas microfónicos y, por lo general, son físicamente frágiles.

Los capacitores de vidrio y mica son extremadamente confiables, estables y tolerantes a altas temperaturas y voltajes, pero son demasiado costosos para la mayoría de las aplicaciones principales.

Los condensadores electrolíticos y los supercondensadores se utilizan para almacenar cantidades pequeñas y grandes de energía, respectivamente, los condensadores cerámicos se utilizan a menudo en resonadores y la capacitancia parásita se produce en circuitos en los que la estructura conductor-aislante-conductor simple se forma de forma no intencionada por la configuración del diseño del circuito..

Los condensadores electrolíticos utilizan una placa de aluminio o tantalio con una capa dieléctrica de óxido. El segundo electrodo es un electrolito líquido, conectado al circuito por otra placa de aluminio. Los capacitores electrolíticos ofrecen una capacitancia muy alta pero sufren de malas tolerancias, alta inestabilidad, pérdida gradual de capacitancia, especialmente cuando se someten a calor, y alta corriente de fuga. Los condensadores de mala calidad pueden tener fugas de electrolito, 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 la potencia máxima, pueden sufrir un cortocircuito, dañando permanentemente el condensador y, por lo general, quemando un fusible o causando fallas en los diodos rectificadores. Por ejemplo, en equipos más antiguos, esto puede provocar arcos en los tubos rectificadores. Se pueden restaurar antes de su uso aplicando gradualmente el voltaje de funcionamiento, 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 alimentación 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. Dichos remedios pueden no ser aplicables a las fuentes de alimentación modernas de alta frecuencia, ya que producen un voltaje de salida completo incluso con una entrada reducida. en equipos más antiguos, esto puede causar arcos en los tubos rectificadores. Se pueden restaurar antes de su uso aplicando gradualmente el voltaje de funcionamiento, 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 alimentación 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. Dichos remedios pueden no ser aplicables a las fuentes de alimentación modernas de alta frecuencia, ya que producen un voltaje de salida completo incluso con una entrada reducida. en equipos más antiguos, esto puede causar arcos en los tubos rectificadores. Se pueden restaurar antes de su uso aplicando gradualmente el voltaje de funcionamiento, 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 alimentación 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. Dichos remedios pueden no ser aplicables a las fuentes de alimentación modernas de alta frecuencia, ya que producen un voltaje de salida completo incluso con una entrada reducida. 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. Dichos remedios pueden no ser aplicables a las fuentes de alimentación modernas de alta frecuencia, ya que producen un voltaje de salida completo incluso con una entrada reducida. 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. Dichos remedios pueden no ser aplicables a las fuentes de alimentación modernas de alta frecuencia, ya que producen un voltaje de salida completo incluso con una entrada reducida.

Los condensadores de tantalio ofrecen mejores características de frecuencia y temperatura que el aluminio, pero una mayor absorción y fuga dieléctrica.

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 prolongada y una ESR más baja a un costo mayor que los condensadores electrolíticos estándar.

Un condensador de paso es un componente que, si bien no cumple su función principal, tiene capacidad y se utiliza para conducir señales a través de una lámina conductora.

Varios otros tipos de condensadores están disponibles para aplicaciones especializadas. Los supercondensadores almacenan grandes cantidades de energía. Los supercondensadores hechos de aerogel de carbono, nanotubos de carbono o materiales de electrodos altamente porosos ofrecen una capacitancia extremadamente alta (hasta 5 kF a partir de 2010) y se pueden usar en algunas aplicaciones en lugar de baterías recargables. Los condensadores de corriente alterna están diseñados específicamente para funcionar en circuitos de alimentación de CA de voltaje de línea (red). Se usan 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 de metal que se pueden conectar a tierra fácilmente. También están diseñados con voltajes de ruptura de corriente continua de al menos cinco veces el voltaje de CA máximo.

Condensadores dependientes de voltaje

La constante dieléctrica de varios dieléctricos muy útiles cambia en función del campo eléctrico aplicado, por ejemplo, materiales ferroeléctricos, por lo que la capacitancia de estos dispositivos es más compleja. Por ejemplo, al cargar un capacitor de este tipo, el aumento diferencial de voltaje con la carga se rige por:

donde la dependencia del voltaje de la capacitancia, C (V), sugiere que la capacitancia es una función de la intensidad del campo eléctrico, que en un dispositivo de placas paralelas de área grande está dada por ε = V / d. Este campo polariza el dieléctrico, cuya polarización, en el caso de un ferroeléctrico, es una función no lineal en forma de S del campo eléctrico, que, en el caso de un dispositivo de placas paralelas de gran área, se traduce en una capacitancia que es una función no lineal. del voltaje

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

lo cual concuerda con Q = CV solo cuando C no depende del voltaje V.

De la misma manera, la energía almacenada en el condensador ahora viene dada por

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

Integrando:

{displaystyle W=int _{0}^{V}dVint _{0}^{V}dV',C(V')=int _{0}^{V}dV'int _{V'}^{V}dV,C(V')=int_{0}^{V}dV'left(VV'right)C(V'),,}

donde se utiliza el intercambio del orden de integración.

La capacitancia no lineal de una sonda de microscopio escaneada a lo largo de una superficie ferroeléctrica se utiliza para estudiar la estructura de dominio de los materiales ferroeléctricos.

Otro ejemplo de capacitancia dependiente del voltaje ocurre en dispositivos semiconductores tales como diodos semiconductores, donde la dependencia del voltaje no proviene de un cambio en la constante dieléctrica sino de una dependencia del voltaje del espacio entre las cargas en los dos lados del capacitor. 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, en alguna frecuencia la polarización del dieléctrico no puede seguir el voltaje. Como ejemplo del origen de este mecanismo, los dipolos microscópicos internos que contribuyen a la constante dieléctrica no pueden moverse instantáneamente y, por lo tanto, a medida que aumenta la frecuencia de un voltaje alterno aplicado, la respuesta del dipolo se limita y la constante dieléctrica disminuye. Una constante dieléctrica cambiante con la frecuencia se denomina dispersión dieléctrica y se rige por procesos de relajación dieléctrica, como la relajación de Debye. En condiciones transitorias, el campo de desplazamiento se puede expresar como (ver susceptibilidad eléctrica):

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

indicando el retraso en la respuesta por la dependencia del tiempo de _εr, calculada en principio a partir de un análisis microscópico subyacente, por ejemplo, del comportamiento del dipolo en el dieléctrico. Véase, por ejemplo, función de respuesta lineal. La integral se extiende sobre 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 exhibe este comportamiento de frecuencia. Fourier transformando la ley de Gauss con esta forma para el campo de desplazamiento:

{displaystyle {begin{alineado}I(omega)&=jomega Q(omega)=jomega oint_{Sigma }{boldsymbol {D}}({boldsymbol {r}},omega)cdot d{boldsymbol {Sigma }}\&=left[G(omega)+jomega C(omega)right]V(omega)={frac {V (omega)}{Z(omega)}},,end{alineado}}}

donde j es la unidad imaginaria, V (ω) es el componente de tensión a la frecuencia angular ω, G (ω) es la parte real de la corriente, denominada conductancia, y C (ω) determina la parte imaginaria de la corriente y es la capacitancia _ Z (ω) es la impedancia compleja.

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

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

donde un solo primo denota la parte real y un doble primo la parte imaginaria, Z (ω) es la impedancia compleja con el dieléctrico presente, C _cmmplx (ω) es la llamada capacitancia compleja con el dieléctrico presente, y C ₀ es la capacitancia sin el dieléctrico.(La medición "sin el dieléctrico" en principio significa la medición en el espacio libre, un objetivo inalcanzable en la medida en que se predice que incluso el vacío cuántico exhibirá un comportamiento no ideal, como el dicroísmo. A efectos prácticos, cuando se tienen en cuenta los errores de medición, a menudo una medición en el vacío terrestre, o simplemente un cálculo de C ₀, es suficientemente preciso).

Usando este método de medición, la constante dieléctrica puede exhibir una resonancia a ciertas frecuencias correspondientes a las frecuencias de respuesta características (energías de excitación) de los contribuyentes a la constante dieléctrica. Estas resonancias son la base de una serie de técnicas experimentales para detectar defectos. El método de conductancia mide la absorción en función de la frecuencia. Alternativamente, la respuesta temporal de la capacitancia se puede usar directamente, como en la espectroscopia transitoria de nivel profundo.

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

A frecuencias ópticas, en los semiconductores, la constante dieléctrica exhibe una estructura relacionada con la estructura de bandas del sólido. Los sofisticados métodos de medición de espectroscopia de modulación basados en la modulación de la estructura cristalina por presión u otras tensiones y la observación de los cambios relacionados en la absorción o reflexión de la luz han hecho avanzar nuestro conocimiento de estos materiales.

Animación del funcionamiento del flujo eléctrico de un condensador

Estilos

La disposición de las placas y el dieléctrico tiene muchas variaciones en diferentes estilos dependiendo de las clasificaciones deseadas del capacitor. Para valores pequeños de capacitancia (microfaradios y menos), los discos cerámicos usan recubrimientos metálicos, con conductores de alambre unidos al recubrimiento. Se pueden hacer valores más grandes mediante múltiples pilas de placas y discos. Los capacitores de mayor valor generalmente usan una lámina metálica o una capa de película metálica depositada en la superficie de una película dieléctrica para fabricar las placas, y una película dieléctrica de papel o plástico impregnado; estos se enrollan para ahorrar espacio. Para reducir la resistencia y la inductancia en serie de las placas largas, las placas y el dieléctrico están escalonados de modo que la conexión se realice en el borde común de las placas enrolladas, no en los extremos de las tiras de lámina o película metalizada que componen las placas.

El conjunto está revestido para evitar que la humedad entre en el dieléctrico; los primeros equipos de radio usaban un tubo de cartón sellado con cera. Los condensadores dieléctricos modernos de papel o película se sumergen en un termoplástico duro. Los condensadores grandes para uso de alto voltaje pueden tener la forma de rollo comprimida para encajar en una caja de metal rectangular, con terminales atornillados y casquillos para las conexiones. El dieléctrico de los capacitores más grandes a menudo se impregna con un líquido para mejorar sus propiedades.

Los condensadores pueden tener sus cables de conexión dispuestos en muchas configuraciones, por ejemplo, axial o radialmente. "Axial" significa que los cables están en un eje común, normalmente el eje del cuerpo cilíndrico del condensador; los cables se extienden desde extremos opuestos. Los conductores radiales rara vez se alinean a lo largo de los radios del círculo del cuerpo, por lo que el término es convencional. Los cables (hasta que se doblan) suelen estar en planos paralelos al del cuerpo plano del capacitor y se extienden en la misma dirección; a menudo son paralelos a su fabricación.

Los condensadores cerámicos discoidales pequeños y baratos han existido desde la década de 1930 en adelante y siguen siendo de uso generalizado. Después de la década de 1980, los paquetes de montaje en superficie para condensadores se han utilizado ampliamente. Estos paquetes son extremadamente pequeños y carecen de cables de conexión, lo que les permite soldarse directamente sobre la superficie de las placas de circuito impreso. Los componentes de montaje en superficie evitan los efectos no deseados de alta frecuencia debidos a los cables y simplifican el ensamblaje automatizado, aunque el manejo manual se dificulta debido a su pequeño tamaño.

Los capacitores variables controlados mecánicamente permiten ajustar el espaciado de las placas, por ejemplo, girando o deslizando un conjunto de placas móviles para alinearlo con un conjunto de placas estacionarias. Los capacitores variables de bajo costo aprietan capas alternas de aluminio y plástico con un tornillo. El control eléctrico de la capacitancia se puede lograr con varactores (o varicaps), que son diodos semiconductores con polarización inversa cuyo ancho de región de agotamiento varía con el voltaje aplicado. Se utilizan en bucles de enganche de fase, entre otras aplicaciones.

Marcas de condensadores

La mayoría de los capacitores tienen designaciones impresas en sus cuerpos para indicar sus características eléctricas. Los capacitores más grandes, como los tipos electrolíticos, generalmente muestran la capacitancia como un valor con una unidad explícita, por ejemplo, 220 μF. Los condensadores más pequeños, como los de tipo cerámico, utilizan una notación abreviada que consta de tres dígitos y una letra, donde los dígitos (XYZ) indican la capacitancia en picofaradios (pF), calculada como XY × 10, y la letra indica la tolerancia. Las tolerancias comunes son ±5 %, ±10 % y ±20 %, indicadas como J, K y M, respectivamente.

Un condensador también se puede etiquetar con su voltaje de trabajo, temperatura y otras características relevantes.

Por razones tipográficas, algunos fabricantes imprimen MF en capacitores para indicar microfaradios (μF).Ejemplo

Un capacitor etiquetado o designado como 473K 330V tiene una capacitancia de47 × 10 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 ruptura de la capa dieléctrica.

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). 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, se utilizaron unidades de capacitancia obsoletas en libros electrónicos, revistas y catálogos de electrónica. Las antiguas unidades "mfd" y "mf" significaban microfaradio (μF); y las antiguas unidades "mmfd", "mmf", "uuf", "μμf", "pfd" significaban picofaradios (pF); pero rara vez se usan más. Además, "Micromicrofaradio" o "micro-microfaradio" son unidades obsoletas que se encuentran en algunos textos más antiguos que equivalen a picofaradio (pF).

Resumen de unidades de capacitancia obsoletas: (no se muestran las variaciones entre mayúsculas y minúsculas)

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

Aplicaciones

Almacen de energia

Un capacitor 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. Los capacitores se usan 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 capacitor puede facilitar la conversión de energía cinética de partículas cargadas en energía eléctrica y almacenarla.

Los condensadores convencionales proporcionan menos de 360 julios por kilogramo de energía específica, mientras que una batería alcalina convencional tiene una densidad de 590 kJ/kg. Existe una solución intermedia: los supercondensadores, que pueden aceptar y entregar la carga mucho más rápido que las baterías y tolerar muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables. Sin embargo, son 10 veces más grandes que las baterías convencionales para una carga dada. Por otra parte, se ha demostrado que la cantidad de carga almacenada en la capa dieléctrica del condensador de película delgada puede ser igual o incluso superior a la cantidad de carga almacenada en sus placas.

En los sistemas de audio para automóviles, los condensadores grandes almacenan energía para que el amplificador la use a pedido. 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 de almacenamiento de energía en capacitores para construir memorias digitales dinámicas para las primeras computadoras binarias que usaban tubos de electrones para la lógica.

Poder pulsado y armas

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

Los grandes bancos de condensadores (depósito) se utilizan como fuentes de energía para los detonadores de alambre de puente explosivo o detonadores slapper en armas nucleares y otras armas especiales. Se está realizando un trabajo experimental utilizando bancos de condensadores como fuentes de energía para armaduras electromagnéticas y cañones de riel y bobinas electromagnéticos.

Acondicionamiento de energía

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 usar en circuitos de bombas de carga como elemento de almacenamiento de energía en la generación de voltajes más altos que el voltaje de entrada.

Los condensadores se conectan en paralelo con los circuitos de alimentación de la mayoría de los dispositivos electrónicos y sistemas más grandes (como las fábricas) para desviar y ocultar las fluctuaciones de corriente de la fuente de alimentación principal para proporcionar una fuente de alimentación "limpia" para los circuitos de señal o control. El equipo de audio, por ejemplo, utiliza varios condensadores de esta manera para desviar el zumbido de la línea de alimentación antes de que llegue al circuito de señal. Los condensadores actúan como una reserva local para la fuente de alimentación de CC y derivan las corrientes de CA de la fuente de alimentación. Esto se utiliza en aplicaciones de audio para automóviles, cuando un condensador de refuerzo compensa la inductancia y la resistencia de los cables de la batería de automóvil de plomo-ácido.

Corrección del factor de poder

En la distribución de energía eléctrica, los condensadores se utilizan para la corrección del factor de potencia. Dichos condensadores a menudo vienen como tres condensadores conectados como una carga trifásica. Por lo general, los valores de estos condensadores no se dan en faradios, sino como una potencia reactiva en voltios-amperios reactivos (var). El propósito es contrarrestar la carga inductiva de dispositivos como motores eléctricos y líneas de transmisión para que la carga parezca ser principalmente 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 gran subestación de servicios públicos.

Supresión y acoplamiento

Acoplamiento de señal

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 AC o "acoplamiento capacitivo". Aquí, se emplea un valor grande de capacitancia, cuyo valor no necesita ser controlado 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 el ruido o los transitorios. El ruido causado por otros elementos del circuito se desvía a través del condensador, lo que reduce el efecto que tienen en el resto del circuito. Se usa más comúnmente entre la fuente de alimentación y 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 capacitores de desacoplamiento no necesitan ser siempre componentes discretos. Los condensadores utilizados en estas aplicaciones pueden integrarse en una placa de circuito impreso, entre las diversas capas. Estos a menudo se denominan condensadores integrados. Las capas de la placa que contribuyen a las propiedades capacitivas también funcionan como planos de alimentación y tierra, y tienen un dieléctrico entre ellas, lo que les permite operar como un capacitor 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 se destruya un interruptor de estado sólido. Un capacitor amortiguador a través del circuito recién abierto crea un camino para que este impulso pase por alto los puntos de contacto, preservando así su vida; estos se encontraban comúnmente en sistemas de encendido de interruptores de contacto, por ejemplo. De manera similar, en circuitos de escala más pequeña, la chispa puede no ser suficiente para dañar el interruptor, pero aún puede irradiar interferencias de radiofrecuencia (RFI) no deseadas, que absorbe un condensador de filtro. Los condensadores amortiguadores se emplean generalmente con una resistencia de bajo valor en serie, para disipar la 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 de clasificación".

En los diagramas esquemáticos, un condensador utilizado principalmente para el almacenamiento de carga de CC a menudo se dibuja verticalmente en los diagramas de circuito con la placa inferior, más negativa, dibujada como un arco. La placa recta indica el terminal positivo del dispositivo, si está polarizado (ver condensador electrolítico).

Arrancadores de motor

En los motores de jaula de ardilla monofásicos, el devanado primario dentro de la carcasa del motor no es capaz de iniciar un movimiento de rotación en el rotor, pero es capaz de sostenerlo. Para arrancar el motor, un devanado secundario de "arranque" tiene un condensador de arranque en serie no polarizadopara introducir una ventaja en la corriente sinusoidal. Cuando el devanado secundario (arranque) se coloca en ángulo con respecto al devanado primario (marcha), se crea un campo eléctrico giratorio. La fuerza del campo de rotación no es constante, pero es suficiente para que el rotor comience a girar. Cuando el rotor se acerca a la velocidad de funcionamiento, un interruptor centrífugo (o un relé sensible a la corriente en serie con el devanado principal) desconecta el condensador. El capacitor de arranque generalmente se monta al costado de la carcasa del motor. Estos se denominan motores de arranque por condensador, que tienen un par de arranque relativamente alto. Por lo general, pueden tener hasta cuatro veces más par de arranque que un motor de fase dividida y se utilizan en aplicaciones como compresores, lavadoras a presión y cualquier dispositivo pequeño que requiera un alto par de arranque.

Los motores de inducción operados por capacitor tienen un capacitor de cambio de fase permanentemente conectado 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 de plástico.

Procesamiento de la señal

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

Circuitos sintonizados

Los capacitores e inductores se aplican juntos en circuitos sintonizados para seleccionar información en bandas de frecuencia particulares. Por ejemplo, los receptores de radio se basan en condensadores variables para sintonizar la frecuencia de la estación. Los parlantes usan crossovers 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}{2pi {sqrt {LC}}}}}

donde L está en henrios y C en faradios.

Detección

La mayoría de los capacitores 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 dieléctricoLos efectos de variar las características del dieléctrico se pueden utilizar con fines de detección. Los capacitores con un dieléctrico expuesto y poroso se pueden usar 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 bar de presión lo suficiente como para que pueda usarse como sensor de presión. Un capacitor dieléctrico de polímero seleccionado, pero por lo demás estándar, cuando se sumerge en un gas o líquido compatible, puede funcionar de manera útil como un sensor de presión de muy bajo costo hasta muchos cientos de bar.Cambiar la distancia entre las placasLos condensadores con una placa flexible se pueden usar para medir la tensión o la presión. Los transmisores de presión industriales utilizados para el control de procesos utilizan diafragmas de detección de presión, que forman una placa de condensador de un circuito oscilador. Los condensadores se utilizan como sensor en los micrófonos de condensador, donde una placa se mueve por 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 la dirección del vector de aceleración. Se utilizan para detectar cambios en la aceleración, en los sensores de inclinación o para detectar la caída libre, como sensores que activan el despliegue de la bolsa de aire y en muchas otras aplicaciones. Algunos sensores de huellas dactilares utilizan condensadores. Además,Cambiar el área efectiva de las placasLos interruptores táctiles capacitivos ahora se utilizan en muchos productos electrónicos de consumo.

Osciladores

Un capacitor puede poseer cualidades similares a las de un resorte en un circuito oscilador. En el ejemplo de la imagen, un capacitor actúa para influir en el voltaje de polarización en la base del transistor npn. Los valores de resistencia de las resistencias divisoras de voltaje y el valor de capacitancia del capacitor controlan juntos la frecuencia oscilatoria.

Produciendo luz

Un capacitor emisor de luz está hecho de un dieléctrico que usa fosforescencia para producir luz. Si una de las placas conductoras está hecha con un material transparente, la luz es visible. Los capacitores emisores de luz se utilizan en la construcción de paneles electroluminiscentes, para aplicaciones como la retroiluminación de computadoras portátiles. En este caso, todo el panel es un condensador que se utiliza con el fin de generar luz.

Peligros y seguridad

Los peligros que plantea un condensador generalmente están determinados, principalmente, por la cantidad de energía almacenada, que es la causa de cosas como quemaduras eléctricas o fibrilación cardíaca. Los factores como el voltaje y el material del chasis son una consideración secundaria, que están más relacionados con la facilidad con la que se puede iniciar una descarga que con el daño que se puede producir.Bajo ciertas condiciones, incluida la conductividad de las superficies, las condiciones médicas preexistentes, la humedad del aire o las vías que toma a través del cuerpo (es decir, las descargas que viajan por el centro del cuerpo y, especialmente, el corazón son más peligrosas que las que se limitan a las extremidades), se ha informado que las descargas de tan solo un julio causan la muerte, aunque en la mayoría de los casos es posible que ni siquiera dejen una quemadura. Las descargas de más de diez julios generalmente dañarán la piel y, por lo general, se consideran peligrosas. Cualquier condensador que pueda almacenar 50 julios o más debe considerarse potencialmente letal.

Los condensadores pueden retener una carga mucho tiempo después de que se desconecte la alimentación de un circuito; esta carga puede causar descargas eléctricas 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 dar un golpe. Los procedimientos de servicio para dispositivos electrónicos generalmente incluyen instrucciones para descargar capacitores grandes o de alto voltaje, por ejemplo, usando una varilla Brinkley. Los condensadores también pueden tener resistencias de descarga incorporadas para disipar la energía almacenada a un nivel seguro en unos pocos segundos después de desconectar la alimentación. Los condensadores de alto voltaje se almacenan con los terminales en cortocircuito,

Algunos capacitores de película de plástico o papel llenos de aceite, viejos y grandes, contienen bifenilos policlorados (PCB). Se sabe que los residuos de PCB pueden filtrarse a las aguas subterráneas debajo de los vertederos. Los condensadores que contenían PCB se etiquetaron como que contenían "Askarel" y varios otros nombres comerciales. Los condensadores de papel llenos de PCB se encuentran en balastos de lámparas fluorescentes muy antiguas (anteriores a 1975) y otras aplicaciones.

Los capacitores pueden fallar catastróficamente cuando se someten a voltajes o corrientes más allá de su valor nominal, o cuando alcanzan el final de su vida útil normal. Las fallas en las interconexiones dieléctricas o metálicas pueden crear arcos que vaporicen el fluido dieléctrico, lo que resultará en un abultamiento, una ruptura o incluso una explosión. Los capacitores usados en RF o aplicaciones de alta corriente sostenida pueden sobrecalentarse, especialmente en el centro de los rollos de capacitores. Los capacitores que se usan dentro de los bancos de capacitores de alta energía pueden explotar violentamente cuando un cortocircuito en un capacitor provoca una descarga repentina de la energía almacenada en el resto del banco hacia la unidad que falla. Los condensadores de vacío de alto voltaje pueden generar rayos X suaves incluso durante el funcionamiento normal. La contención, la fusión y el mantenimiento preventivo adecuados pueden ayudar a minimizar estos peligros.

Los capacitores de alto voltaje pueden beneficiarse de una precarga para limitar las corrientes de irrupción en el encendido de los circuitos de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Esto prolonga la vida útil del componente y puede mitigar los peligros de alto voltaje.

Condensadores electrolíticos hinchados: el diseño especial de la parte superior de los condensadores les permite ventilar en lugar de 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