Un condensador eléctrico es uno de los elementos del circuito eléctrico de cualquier dispositivo electrónico. Su función principal es almacenar energía para posteriormente devolverla al circuito. La industria ofrece una gran variedad de condensadores con diferentes tipos, capacidades, tamaños y aplicaciones.
Principio y características de los condensadores
Un condensador está formado por dos obleas metálicas divididas por una fina capa dieléctrica. La relación entre el tamaño y la disposición de las facetas y las características del material dieléctrico determina el valor de la capacitancia.
El diseño de cualquier tipo de condensador está orientado a obtener la máxima capacitancia en relación con las mínimas dimensiones para ahorrar espacio en la placa de circuito del dispositivo. Una de las formas más populares en términos de apariencia es la de barril, en la que las cubiertas metálicas se retuercen con dieléctrico entre ellas. El primer condensador, inventado en Leiden (Países Bajos) en 1745, se denominó "tarro de Leiden".
El principio del componente es la capacidad de carga y descarga. La carga se hace posible manteniendo los electrodos a corta distancia entre sí. Las cargas, muy separadas por el dieléctrico, se atraen entre sí y quedan atrapadas en los terminales, por lo que el propio condensador almacena energía. Una vez desconectada la fuente de alimentación, el componente está listo para liberar energía en el circuito, para descargarse.
Parámetros y propiedades que determinan el rendimiento, la calidad y la durabilidad
- capacidad eléctrica;
- capacitancia específica;
- tolerancia;
- fuerza eléctrica;
- Inductancia intrínseca;
- absorción dieléctrica;
- pérdidas;
- estabilidad;
- fiabilidad.
La capacidad de almacenar una carga determina la capacidad eléctrica de un condensador. Para calcular la capacitancia es necesario conocer
- el área de los devanados;
- la distancia entre los insertos;
- La constante dieléctrica del material dieléctrico.
Para aumentar la capacitancia, es necesario aumentar el área de los bobinados, reducir la distancia entre ellos y utilizar un dieléctrico cuyo material tenga una elevada constante dieléctrica.
La unidad de medida utilizada para la capacitancia es el Farad (F), llamado así por el físico inglés Michael Faraday. Sin embargo, 1 Farad es un valor demasiado grande. Por ejemplo, la capacidad de nuestro planeta es inferior a 1 faradio. En la radioelectrónica se utilizan valores más pequeños: microfaradios (µF, una millonésima parte de un faradio) y picofaradios (pF, una millonésima parte de un microfaradio).
La capacidad específica se calcula a partir de la relación entre la capacidad y la masa dieléctrica (volumen). En esto influyen las dimensiones geométricas, y se consigue un aumento de la capacidad específica reduciendo el volumen del dieléctrico, pero esto aumenta el riesgo de rotura.
La desviación admisible del valor de la capacitancia de la placa de características con respecto al valor real determina la clase de precisión. Según GOST, hay 5 clases de precisión que determinan el uso futuro. Los componentes de la clase de mayor precisión se utilizan en circuitos de alta responsabilidad.
La fuerza eléctrica determina la capacidad de mantener una carga y conservar el rendimiento. Las cargas almacenadas en los bobinados tienden a acercarse entre sí al actuar sobre el dieléctrico. La resistencia eléctrica es una propiedad importante de un condensador que determina la duración de su uso. Un funcionamiento inadecuado provocará la rotura del dieléctrico y el fallo de los componentes.
La inductancia intrínseca se tiene en cuenta en los circuitos de CA con bobinas de inductancia. Para los circuitos de corriente continua no se tiene en cuenta.
La absorción dieléctrica es la aparición de tensión en las bobinas durante la descarga rápida. El fenómeno de absorción se tiene en cuenta para el funcionamiento seguro de los dispositivos eléctricos de alta tensión porque existe peligro de muerte en caso de cortocircuito.
Las pérdidas se deben a la baja capacidad de transporte de corriente del dieléctrico. Cuando los componentes electrónicos funcionan bajo diferentes temperaturas y condiciones de humedad, el factor de calidad de las pérdidas tiene un efecto. También se ve afectado por la frecuencia de funcionamiento. A bajas frecuencias, las pérdidas dieléctricas se ven afectadas; a altas frecuencias, las pérdidas metálicas.
La estabilidad es un parámetro del condensador, en el que también influye la temperatura ambiente. Sus efectos se dividen en reversibles, caracterizados por un coeficiente de temperatura, e irreversibles, caracterizados por un coeficiente de inestabilidad de la temperatura.
La fiabilidad del funcionamiento de un condensador depende principalmente de las condiciones de funcionamiento. El análisis de fallos muestra que las averías son responsables del 80% de todos los fallos.
Dependiendo de la aplicación, el tipo y el área de uso, los condensadores tienen un tamaño diferente. Los más pequeños, cuyo tamaño oscila entre unos milímetros y unos centímetros, se utilizan en la electrónica, mientras que los más grandes se emplean en la industria.
Propósito
La propiedad de almacenar y liberar energía ha determinado el amplio uso de los condensadores en la electrónica moderna. Al igual que las resistencias y los transistores, son la columna vertebral de la ingeniería eléctrica. No hay ningún dispositivo moderno que no los utilice en alguna medida.
Su capacidad de carga y descarga, junto con la inductancia que tiene las mismas propiedades, se utiliza ampliamente en la tecnología de radio y televisión. El circuito oscilante de condensador e inductancia es la base de la transmisión y recepción de señales. La modificación de la capacidad del condensador permite cambiar la frecuencia del circuito oscilante. Las emisoras de radio, por ejemplo, pueden transmitir en sus frecuencias y las radios pueden conectarse a ellas.
Una función importante es la de suavizar las ondulaciones de la corriente alterna. Cualquier dispositivo electrónico alimentado por corriente alterna necesita condensadores eléctricos de filtrado para producir una corriente continua de buena calidad.
El mecanismo de carga y descarga se utiliza activamente en los equipos fotográficos. Todas las cámaras modernas utilizan un flash para hacer fotos, que se realiza por la propiedad de descarga rápida. Las baterías, que almacenan energía pero son lentas de descargar, no son ventajosas en este campo. Los condensadores, en cambio, liberan toda la energía almacenada al instante, lo que es suficiente para un destello brillante.
La capacidad de los condensadores para generar pulsos de alta potencia se utiliza en radiolocalización y láser.
Los condensadores desempeñan el papel de contactos de apagado de chispas en telegrafía y telefonía, así como en telemecánica y automatización, donde es necesario conmutar relés muy cargados.
La regulación de la tensión de las líneas de transmisión largas es posible gracias al uso de condensadores de compensación.
Los condensadores modernos, gracias a sus capacidades, no sólo se utilizan en el campo de la radioelectrónica. Se utilizan en el procesamiento de metales, la minería y la industria del carbón.
Principales variedades
Debido a la diversidad de aplicaciones y condiciones de funcionamiento de los dispositivos electrónicos, existe una gran variedad de componentes que difieren en tipos y características. La principal división se basa en las clases y en el tipo de dieléctrico utilizado.
Tipos de condensadores divididos por clases:
- con capacitancia constante;
- con capacitancia variable;
- ajustable.
Los componentes de capacitancia constante se utilizan en todos los dispositivos radioelectrónicos.
Los condensadores variables se utilizan para cambiar la capacitancia y los parámetros del circuito, por ejemplo, la frecuencia en los circuitos oscilantes. Tienen varias secciones de placas metálicas móviles en su construcción, lo que garantiza su longevidad.
Los condensadores de ajuste se utilizan para el ajuste individual del aparato. Están disponibles en varios valores de capacidad (desde unos pocos picofaradios hasta varios cientos de picofaradios) y están diseñados para tensiones de hasta 60 voltios. Sin ellos, no sería posible la puesta a punto de los equipos.
Tipos de condensadores, clasificados según el tipo de dieléctrico:
- dieléctrico de cerámica;
- con una película dieléctrica;
- electrolítico;
- intercambiadores de iones.
Los condensadores cerámicos se fabrican en forma de una pequeña placa de material cerámico sobre la que se pulverizan los terminales metálicos. Estos condensadores tienen diferentes propiedades y se utilizan tanto en circuitos de alta como de baja tensión.
Para los circuitos de baja tensión, lo más habitual es utilizar pequeños componentes multicapa en carcasas de epoxi o plástico con capacidades que van desde decenas de picofaradios hasta unidades de microfaradios. Se utilizan en circuitos de alta frecuencia en equipos radioelectrónicos y pueden funcionar en condiciones climáticas adversas.
Para los circuitos de alta tensión, existen condensadores cerámicos más grandes con capacidades que van desde decenas de picofaradios hasta miles de picofaradios. Se utilizan en los circuitos de impulsos y en los equipos de conversión de tensión.
Hay diferentes tipos de dieléctricos de película. El más común es el lavsan, que es muy duradero. Menos común es el dieléctrico de polipropileno, que tiene menos pérdidas y se utiliza en circuitos de alto voltaje, como los circuitos de amplificación de audio y los circuitos de rango medio.
Otro tipo de condensador de película es el condensador de arranque, que se utiliza al arrancar los motores y, debido a su alta capacitancia y material dieléctrico especial, reduce la carga del motor eléctrico. Se distinguen por su alta tensión de funcionamiento y su potencia eléctrica reactiva.
Los condensadores electrolíticos se fabrican con un diseño clásico. La carcasa es de aluminio y en su interior se disponen las carcasas metálicas enrolladas. Una de las cubiertas está recubierta químicamente con un óxido metálico y la otra con un electrolito líquido o sólido para formar un dieléctrico. Debido a esta construcción los condensadores electrolíticos tienen una alta capacidad, pero la peculiaridad de su uso en el tiempo es su cambio con el tiempo.
A diferencia de los condensadores cerámicos y de película, los electrolíticos tienen polaridad. Estos a su vez se subdividen en no polares, sin este inconveniente, radiales, miniatura y axiales. Su campo de aplicación es la tecnología informática tradicional y la tecnología microinformática moderna.
Un tipo especial, que apareció hace relativamente poco, son los intercambiadores de iones. Su construcción es similar a la de los condensadores electrolíticos, pero tienen una gran capacidad (hasta varios faradios). Sin embargo, su uso está restringido por una pequeña tensión máxima de unos pocos voltios. Los ionizadores se utilizan para almacenar la memoria: si se agota la batería de un teléfono móvil o un ordenador en miniatura, la información almacenada no se perderá irremediablemente.
Además de los componentes con diseño de pines, que existen desde hace mucho tiempo y se utilizan tradicionalmente, existen componentes modernos con diseño SMD o, como también se conoce, para montaje en superficie. Por ejemplo, los condensadores cerámicos pueden fabricarse en una gran variedad de tamaños, desde los más pequeños (1 mm por 0,5 mm) hasta los más grandes (5,7 mm por 5 mm), y con voltajes correspondientes que van desde decenas de voltios hasta cientos de voltios.
Los condensadores electrolíticos también pueden fabricarse en carcasas de montaje superficial. Pueden ser condensadores electrolíticos de aluminio estándar, o pueden ser condensadores de tantalio, que se parecen un poco a los condensadores cerámicos, pero se diferencian de ellos por su mayor capacitancia y menores pérdidas. Están disponibles en diseños sin plomo y sin plomo SMD.
Los condensadores de tantalio se caracterizan por una larga vida útil y unas pérdidas mínimas con un límite de capacidad ligeramente inferior, pero también son muy caros. Se utilizan en circuitos de alta responsabilidad donde se requiere una alta capacitancia.
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