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Qué son los capacitores

Quick Facts:
Category: Electronics | Engineering
Subcategory: Capacitores

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Summary

En el siguiente artículo se explica para qué sirve un componente muy utilizado en todo tipo de dispositivos electrónicos desde computadoras hasta electrodomésticos, el capacitor. Veremos detalladamente cómo funcionan, cómo fueron desarrollados y cuáles son sus principales aplicaciones.

En ciertos aspectos el capacitor tiene algunas similitudes con la batería. A pesar que funcionan de manera distinta y son utilizados para fines diferentes, tanto los capacitores como las baterías almacenan energía eléctrica. En síntesis, las baterías cuentan con dos terminales; a través de una serie de reacciones químicas una de estas terminales produce electrones mientras que la otra los absorbe si ambas son unidas o conectadas mediante un cable por donde los electrones circulan, generando una corriente eléctrica. Los capacitores, son más simples ya que no pueden producir electrones, sólo los almacena.

Dentro de un capacitor, las terminales se conectan a dos placas metálicas separadas por una sustancia no conductora de electricidad también conocida como dieléctrico. Se puede hacer un simple capacitor con dos piezas de papel de aluminio y una hoja de papel común colocada entre medio de las dos. No será un gran capacitor en términos de capacidad de almacenamiento, pero funcionará.

Cualquier sustancia no conductora de electricidad puede ser utilizada como dieléctrico; sin embargo para usos prácticos se utilizan materiales especiales para distintas funciones. Algunos de los materiales no conductores que se usan son la celulosa, cerámica, mica, Mylar, Teflón, vidrio e incluso aire. Según la sustancia utilizada se obtiene un tipo diferente de capacitor con fines y funcionalidades específicas. Dependiendo del tamaño y tipo de sustancia no conductora utilizada, algunos capacitores son mejores para circuitos de alta frecuencia eléctrica mientras que otros para circuitos de alto voltaje. Los capacitores se fabrican para fines y propósitos múltiples; desde pequeños capacitores plásticos en calculadoras hasta grandes capacitores utilizados en vehículos. Por ejemplo, en el transbordador espacial se utilizan capacitores de vidrio para encender los circuitos de la nave y así poder desplegar las sondas espaciales.

A continuación se listan algunos tipos de capacitores:

  • Capacitores de aire: Utilizados comúnmente en circuitos de sintonización de radios.
  • Capacitores de mica: Utilizados para soportar altas frecuencias y tensiones, pero son más caros que otros.
  • Capacitores de Mylar: Utilizados comúnmente en dispositivos de medición de tiempo como relojes, alarmas o cronómetros, entre otros.
  • Capacitores de Vidrio: Utilizados en dispositivos de alto voltaje.
  • Super capacitores: Utilizados en vehículos eléctricos o híbridos.
Capacitores

Circuito de capacitores

En un circuito electrónico un capacitor funciona de la siguiente manera:

Cuando se conecta un capacitor a una batería (en un circuito entre el electrodo negativo y positivo), la placa del capacitor conectada a la terminal o electrodo negativo de la batería recibe los electrones producidos por la batería, mientras que la placa conectada a la terminal positiva de la batería pierde electrones que se dirigen hacia esta última.

Una vez cargado, el capacitor tiene el mismo voltaje de la batería. Para un capacitor pequeño la capacidad de carga es pequeña; pero los capacitores grandes pueden retener una carga bastante grande. Existen capacitores tan grandes como latas de gaseosas que pueden retener la suficiente carga eléctrica como para poder encender la lámpara o foco de una linterna durante más de un minuto.

Un ejemplo de capacitor natural son los relámpagos; donde una de las placas es la nube y la otra placa es la tierra, mientras que el rayo es la carga liberada entre las dos placas. Hay que aclarar que en un capacitor tan grande la cantidad de carga retenida es imensa.

Veamos que ocurre si armamos un circuito con un capacitor, una lámpara o foco y una batería. Si colocamos en el circuito, entre la terminal negativa y positiva de la batería, el foco de luz y un capacitor; y si este último es bastante grande; lo que se notará al conectarlos a la batería es que la lámpara se encenderá mientras la corriente eléctrica circula de la batería al capacitor para que éste fuera cargado. La luz del foco comenzará a debilitarse de a poco y finalmente cuando el capacitor llegue a su capacidad máxima de carga, la luz se apagará. Si luego se retira la batería y se la reemplaza con un cable que conecta una placa del capacitor con la otra, poniendo el foco entremedio, la luz se encenderá y de a poco se irá debilitando mientras el capacitor se vaya descargando, hasta apagarse completamente cuando toda la carga haya sido liberada.

Como analogía se podría comparar al capacitor con una torre de agua conectada a una red hidráulica urbana. El tanque de la torre almacena agua cuando las bombas del sistema hidráulico producen mayor cantidad de lo que la ciudad requiere. Luego en momentos de alta demanda, el agua almacenada en el tanque es enviada a la red para mantener la presión hidráulica alta. Un capacitor, de la misma manera puede almacenar electrones, los cuales pueden ser liberados en otro momento.

Circuito con capacitor
Circuito con batería, capacitor y foco de luz. Cuando se llena el capacitor, si se retira la batería y se conecta solamente el capacitor con el foco este se encenderá por un rato

Cómo se mide la capacitancia y qué son los faradios

El potencial de almacenamiento de una capacitor, conocido como capacitancia, se mide en faradios. Para entender mejor esta unidad de medida hay que conocer a la unidad de carga llamada coulomb (se pronuncia culomb). Un coulomb equivale a 6.25 x 1018 electrones. Por otro lado el ampere equivale a la tasa de flujo de electrones por segundo en un punto; así 1 ampere equivale a una tasa de 1 coulomb de electrones (6.25 x 1018 electrones) por segundo circulando por un punto determinado. Un capacitor de 1 faradio puede retener una carga de 1 coulomb a 1 volt; o en otras palabras 1 ampere segundo de electrones a 1 volt.

Un capacitor de 1 faradio tiene que ser muy grande en tamaño, aproximadamente como una botella de gaseosa de 1 litro, dependiendo del voltaje que puede soportar. Por esta misma razón, por lo general los capacitores son más pequeños y se miden en microfaradios (millonésimas de faradio). Así un por ejemplo un capacitor de 4 microfaradios tiene una capacitancia de carga 4 millonésimas de coulomb a 1 volt o (6.25 x 1018) / 1.000.000 x 4 electrones.

Para entender mejor lo recién explicado con un ejemplo; si se tiene una batería o pila alcalina AA que puede almacenar 2,8 amperios hora, esto significa que la batería puede producir 2,8 amps por una hora a 1,5 volts (aproximadamente 4,2 watt hora. Esto permite mantener encendida por más de una hora la luz de una lámpara o foco de 4 watts).

Para facilitar el cálculo supongamos que la corriente eléctrica es de 1 volt. Entonces para almacenar en un capacitor la energía de una batería AA, y teniendo en cuenta que 1 hora tiene 3.600 segundos, a 2.8 amperios hora, se necesitarían 3.600 x 2,8 faradios, o sea 10.080 faradios. Si para retener 1 faradio de electricidad se requiere un capacitor del tamaño de una botella de gaseosa de 1 litro; para retener la cantidad de energía de una batería o pila AA se necesitaría un capacitor del tamaño de un tanque de 10.080 litros; lo cual lo convierte en algo poco práctico.

El nivel de capacitancia de un capacitor es directamente proporcional al tamaño o área de las placas e inversamente proporcional a la distancia entre ellas.

Aplicaciones de los capacitores

Una de las diferencias más importantes entre los capacitores y las baterías es que un capacitor puede liberar toda su carga en una pequeña fracción de segundo, mientras que a una batería le llevaría minutos o incluso horas descargarse completamente. Por eso los capacitores son utilizados en aparatos como el flash electrónico de cámaras fotográficas, en el que la batería carga al capacitor del flash durante unos segundos; y luego al tomarse la fotografía se libera instantáneamente la carga del capacitor encendiendo la luz del flash.

Es muy importante tener en cuenta que estas descargas instantáneas de electricidad, convierten a los capacitores en dispositivos altamente peligrosos; por eso mismo las unidades de flash, televisores, fuentes de computadoras entre otros aparatos tienen etiquetas de advertencia que recomiendan no abrirlos para evitar posibles shocks eléctricos. Estos grandes capacitores pueden matar a una persona que los toca si liberan la carga acumulada.

Algunas de las aplicaciones prácticas más comunes de los capacitores incluyen:

  • Dispositivos que requieren capacitores para almacenar una carga la cual debe ser liberada rápidamente; como por ejemplo el flash de la cámara fotográfica, grandes láseres que requieren haces brillantes e instantáneos.
  • Los capacitores pueden eliminar ondas o rizos en la frecuencia de la corriente eléctrica. Si en un circuito con corriente de voltaje continuo DC hay rizos u ondas un capacitor grande puede absorber los picos y llenar los valles, nivelando el voltaje.
  • Un capacitor puede bloquear corriente de voltaje continuo. Si se conecta un capacitor a una batería, la corriente dejará de circular entre las terminales de la batería una vez que el capacitor esté cargado por completo. Sin embargo, si por el circuito fluye una corriente de voltaje alterno, ésta pasará por el capacitor sin obstáculos. Esto sucede porque el capacitor se cargará y descargará continuamente mientras la corriente alterna fluctúa, dando la impresión de que la corriente alterna fluye sin trabas.

Una función muy importante que tienen los capacitores es la de filtrar o suavizar las corrientes eléctricas. Un capacitor puede ser utilizado para tomar una señal variable con ondas o rizos y nivelarla o rectificarla. El capacitor se llena con la carga de la corriente eléctrica durante los picos de la onda y libera corriente durante los valles de la onda; contrarrestando las ondas de la señal y quedando así suavizada o filtrada. Por ejemplo, los capacitores son utilizados en fuentes de energía como las de las computadoras, o consolas de juegos, las cuales convierten la corriente alterna de la red eléctrica en continua.

En circuitos en los que el voltaje de la corriente eléctrica fluctúa mucho; mediante el uso de un capacitor intermedio se puede nivelar bastante el mismo; ya que cuando el voltaje aumenta la energía sobrante es almacenada por el capacitor y cuando baja la energía acumulada es liberada. Como dato interesante es bueno saber que si a ese circuito se le agrega una resistencia junto al capacitor, la fluctuación en el voltaje casi desaparece por completo.

Para visualizarlo mejor, un pequeño capacitor en un circuito se puede cargar y descargar rápidamente pero no tiene gran capacidad de almacenamiento; esto significa que puede filtrar o nivelar mejor una onda de alta frecuencia, sin embargo no puede filtrar corrientes de frecuencia más baja con la misma efectividad. Por el contrario, un capacitor grande tiene alta capacidad de almacenamiento pero le lleva más tiempo cargarse y descargarse, por lo que es más efectivo rectificando una corriente eléctrica de baja frecuencia que una de alta. A partir de esto llegamos a la conclusión de que se pueden armar circuitos eléctricos que responden a distintas frecuencias de corriente, acorde al tamaño y tipo de capacitores que se utilizan en los mismos.

Otra gran propiedad que tienen los capacitores es la de generar demoras o retrasos en los circuitos eléctricos. En electrónica muchas veces es necesario realizar tareas que ocurren con frecuencias determinadas en períodos constantes o entre determinados intervalos de tiempo; esto se logra poniendo demoras en el flujo de la corriente eléctrica.

Para visualizarlo nuevamente con una analogía hidráulica; se puede pensar en un balde o cubeta de agua, cuyo tamaño así como el ritmo con el que echamos el agua dentro, determina cuanto tiempo se necesita para que el balde se llene. Lo mismo ocurre con los capacitores, un capacitor más grande tarda más en llenarse que uno más pequeño, deteniendo el flujo de la corriente eléctrica por un tiempo determinado. Así según el tamaño del capacitor utilizado se logran demoras eléctricas cada cierta frecuencia. Esta técnica es muy utilizada en los dispositivos o aparatos que realizan tareas cada cierto tiempo; como por ejemplo relojes, cronómetros y cualquier tarea que para ocurrir requiera el paso de determinados intervalos de tiempo regulares.

Así, con distintos tipos de capacitores se puede regular o controlar la frecuencia de la corriente eléctrica en circuitos, y por otro lado crear demoras que hacen que las tareas ocurran con cierto ritmo. Por eso mismo, los capacitores son de tanta importancia en el desarrollo de dispositivos electrónicos.

Pantallas táctiles capacitivas (Touchs screens)

Las pantallas táctiles o touch screen tan populares hoy día en PDAs, iPhones, Smartphones y otros dispositivos; funcionan gracias a la tecnología de los capacitores. El cristal de la pantalla está impregnado con una cobertura metálica transparente. Además debajo de la pantalla hay una grilla de pequeños electrodos. De esta manera la corriente eléctrica pasa por la capa metálica y llega a unos sensores, creando una especie de capacitor.

Al tocar con el dedo la pantalla, dada la conductividad de la piel humana se genera una descarga eléctrica que crea una variación en la carga de la capa capacitiva. Los sensores se ubican en cada esquina del monitor; los cuales calculan con exactitud a partir de las diferencias de carga en cada esquina la posición exacta donde el contacto con el dedo ocurrió. Esta información luego es enviada a un software especial dando los resultados requeridos.

Touch screen
Cuando se toca la pantalla táctil capacitiva, hay  una descarga eléctrica hacia el dedo. Luego desde los sensores de cada esquina se mide la diferencia de distancia, obteniendo así la posición exacta del dedo, tras lo cual se envía una señal a un software encargado de traducir estas señales en tareas


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Comments

Muy Bueno!!!  10 puntos!!!

Muy Bueno!!!  10 puntos!!! Exelente explicacion.
Ahora si entendi  

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