Condensador

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Este é un dos 1000 artigos que toda Wikipedia debería ter.
Un típico condensador electrolítico

Un condensador é un compoñente electrónico pasivo que consiste nun par de condutores separados por un dieléctrico (illante) o polo baleiro.[1] Cando existe unha diferenza de potencial (voltaxe) entre os condutores, créase un campo eléctrico estático no dieléctrico que almacena enerxía e produce unha forza mecánica entre os condutores. Un condensador ideal caracterízase por un único valor constante, capacitancia, medido en faradios. Este é o ratio da carga eléctrica en cada condutor da diferenza de potencial entre eles.

Os condensadores son moi usados en circuítos electrónicos para bloquearen a corrente continua mentres permiten pasar corrente alterna, en redes de filtrado, para suavizaren a saída das fontes de alimentación, nos circuítos resoadores que axustan os radiotransmisores a frecuencias particulares e para outros moitos propósitos.

O efecto é maior cando hai unha separación estreita entre grandes áreas do condutor, de aí que aos condutores do condensador se lles adoite chamar "placas", en referencia a un antigo método de construción. Na práctica, o dieléctrico entre as placas deixa pasar unha pequena cantidade de corrente de fuga e ten un límite de forza no campo eléctrico, o que resulta nunha voltaxe de ruptura, mentres que os condutores e as patillas introducen unha indutancia e unha resistencia non desexadas.

Historia[editar | editar a fonte]

Unha botella de Leiden, o primeiro condensador da historia.
Catro botellas de Leiden que forman unha batería (Museo Boerhaave, 2003).

En outubro de 1745 Ewald Georg von Kleist, de Pomerania (Alemaña), observou que a carga eléctrica podía ser almacenada conectando por medio dun cable un xerador electrostático a un volume de auga no interior dunha xerra, frasco ou botella de vidro. A man de Von Kleist e a auga actuaban como condutores, e o frasco como un dieléctrico, isto é, illante (aínda que os detalles do mecanismo foron incorrectamente identificados nese momento). Von Kleist foi sacudido ao tocar o arame por unha poderosa faísca, moito máis dolorosa que a que se obtiña dun xerador electrostático, polo que deduciu correctamente que a carga eléctrica almacenábase nese dispositivo.

Ao ano seguinte, o físico holandés Pieter van Musschenbroek inventou un condensador similar que foi chamado botella de Leiden (pola Universidade de Leiden onde traballaba). Tamén el quedou impresionado pola forza da descarga que este aparello proporcionaba, de forma que chegou a escribir que "non padecería unha segunda descarga por todo o reino de Francia."

Botella de Leiden "desarmada", 1876

Daniel Gralath foi o primeiro en combinar varias botellas de Leiden en paralelo formando unha "batería" para incrementar a capacidade de almacenamento de carga. Así mesmo, Benjamin Franklin investigou a botella de Leiden e chegou á conclusión en 1749 de que a carga se almacenaba non precisamente na auga, como outros asumiran, senón no bordo do cristal. Tamén acuñou o termo "batería" (que indica o aumento de potencia por medio dunha fila de unidades similares, como nas baterías de artillaría) que posteriormente se aplicou a grupos de células electroquímicas. Grazas ao descubrimento de Franklin as botellas de Leiden posteriores confeccionáronse recubrindo o interior e o exterior dos frascos cunha folla de metal, deixando un espazo na boca para evitar a formación de arcos entre as láminas. A primeira unidade de capacidade foi o "tarro", equivalente a ao redor de 1,11 nanofaradios. Empezou a estudarse a indutancia ou medida da oposición a un cambio de corrente dun indutor que almacena enerxía en presenza dun campo magnético.

Botellas de Leiden ou dispositivos máis potentes que empregaban placas de vidro planas alternadas con condutores de lámina metálica usáronse exclusivamente ata máis ou menos 1900, cando a invención da telegrafía sen fíos creou unha nova demanda de condensadores (termo utilizado por primeira vez por Alessandro Volta en 1782) tales como láminas de material dieléctrico (é dicir, illante) flexible. Un condensador (xeralmente indicado con C) constituíase xeralmente por un par de condutores (ou placas) separadas por un illante (dieléctrico). A carga almacenábase na superficie das placas de material condutor, no bordo en contacto co dieléctrico ou illante.

Desde o inicio do estudo da electricidade utilizáronse para os condensadores materiais non condutores como vidro, porcelana, papel e mica para usar como illantes ou dieléctricos. Nos primeiros anos de Guglielmo Marconi usáronse condensadores de porcelana para os aparellos inalámbricos de transmisión, mentres que para a recepción usáronse pequenos condensadores de mica nos circuítos resonantes. Estes últimos, os condensadores de mica, foron inventados en 1909 por William Dubilier. Antes da Segunda Guerra Mundial, a mica era o dieléctrico para os condensadores máis común nos Estados Unidos.

Charles Pollak (nado Karol Pollak) foi o inventor dos primeiros condensadores electrolíticos. En 1896 concedéuselle a patente de EE.UU. nº 672.913 para un "condensador líquido eléctrico con eléctrodos de aluminio". Electrolitos sólidos condensadores de tántalo foron inventados polos Laboratorios Bell na década de 1950 como un condensador de apoio de baixa tensión, miniaturizado e máis fiable, para complementar a nova invención do transistor.

Co desenvolvemento de materiais plásticos polos químicos orgánicos durante a Segunda Guerra Mundial, a industria comezou a substituír o condensador de papel con películas de polímero delgadas. Un desenvolvemento inicial en condensadores de película descríbese na patente británica 587.953 de 1944. Último, pero non menos importante, é o condensador de dobre capa eléctrica ou supercondensador.

Funcionamento[editar | editar a fonte]

Vídeo explicativo sobre os condensadores.

A carga almacenada nunha das placas é proporcional á diferenza de potencial entre esta placa e a outra, sendo a constante de proporcionalidade a chamada capacidade eléctrica. No Sistema internacional de unidades mídese en Faradios (F), sendo 1 faradio a capacidade dun condensador no que, sometidas as súas armaduras a unha diferenza de potencial de 1 voltio, estas adquiren unha carga eléctrica de 1 culombio.

A capacidade de 1 faradio é moito máis grande que a da maioría dos condensadores, polo que na práctica adóitase indicar a capacidade en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 ou pico- pF = 10-12 -faradios. Os condensadores obtidos a partir de supercondensadores (EDLC) son a excepción. Están feitos de carbón activado para conseguir unha gran área relativa e teñen unha separación molecular entre as "placas". Así conséguense capacidades da orde de centos ou miles de faradios. Un destes condensadores incorpórase no reloxo Kinetic de Seiko, cunha capacidade de 1/3 de faradio, facendo innecesaria a pila. Tamén se está utilizando nos prototipos de automóbiles eléctricos.

O valor da capacidade dun condensador vén definido pola seguinte fórmula:


onde:

: Capacitancia ou capacidade.
: Carga eléctrica almacenada na placa 1.
: Diferenza de potencial entre a placa 1 e a 2.

Nótese que na definición de capacidade é indiferente que se considere a carga da placa positiva ou a da negativa, xa que


aínda que por convenio adóitase considerar a carga da placa positiva.

En canto ao aspecto construtivo, tanto a forma das placas ou armaduras como a natureza do material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiais cerámicos, mica, poliéster, papel ou por unha capa de óxido de aluminio obtido por medio da electrólise.

Enerxía almacenada[editar | editar a fonte]

Cando aumenta a diferenza de potencial entre os seus terminais, o condensador almacena carga eléctrica debido á presenza dun campo eléctrico no seu interior; cando esta diminúe, o condensador devolve dita carga ao circuíto. Matematicamente pódese obter que a enerxía , almacenada por un condensador con capacidade , que é conectado a unha diferenza de potencial , vén dada por:

Fórmula para calquera valores de tensión inicial e tensión final:


Onde

é a carga inicial.
é a carga final.
é a tensión inicial.
é a tensión final.

Este feito é aproveitado para a fabricación de memorias, nas que se aproveita a capacidade que aparece entre a porta e a canle dos transistores MOS para aforrar compoñentes.

Carga e descarga[editar | editar a fonte]

Véxase tamén: Circuíto RC.

Ao conectar un condensador en serie cunha resistencia, a unha fonte de tensión eléctrica (ou comunmente, fonte de alimentación), a corrente empeza a circular por ambos. O condensador vai acumulando carga entre as súas placas. Cando o condensador está totalmente cargado, deixa de circular corrente polo circuíto. Se se quita a fonte e colócase o condensador e a resistencia en paralelo, as cargas empezan a fluír dunha das placas do condensador á outra a través da resistencia, ata que a carga ou enerxía almacenada no condensador é nula. Neste caso, a corrente circulará en sentido contrario ao que circulaba mentres o condensador estaba a cargarse.

Carga

Descarga

Onde:

V(t) é a tensión no condensador.
Vi é a tensión ou diferenza de potencial eléctrico inicial (t=0) entre as placas do condensador.
Vf é a tensión ou diferenza de potencial eléctrico final (a réxime estacionario t>=4RC) entre as placas do condensador.
I(t) a intensidade de corrente que circula polo circuíto.
RC é a capacitancia do condensador en faradios multiplicada pola resistencia do circuíto en ohmios, chamada constante de tempo.

En corrente alterna[editar | editar a fonte]

En CA, un condensador ideal ofrece unha resistencia ao paso da electricidade que recibe o nome de reactancia capacitiva, XC, cuxo valor ven dado pola inversa do produto da pulsación () pola capacidade, C:


Se a pulsación exprésase en radiáns por segundo (rad/s) e a capacidade en faradios (F), a reactancia resultará en ohmios.

De acordo coa lei de Ohm, a corrente alterna que circule polo condensador adiantarase 90º () respecto da tensión aplicada.

Asociacións de condensadores[editar | editar a fonte]

Asociación serie xeral.
Asociación paralelo xeneral.

Os condensadores poden asociarse en serie, paralelo ou de forma mixta. Nestes casos, a capacidade equivalente resulta ser para a asociación en serie:

e para a asociación en paralelo:

É dicir, o sumatorio de todas as capacidades dos condensadores conectados en paralelo.

É fácil demostrar estas dúas expresións, para a primeira só hai que ter en conta que a carga almacenada nas placas é a mesma en ambos os condensadores (tense que inducir a mesma cantidade de carga entre as placas e por tanto cambia a diferenza de potencial para manter a capacitancia de cada un), e doutra banda na asociación en "paralelo", tense que a diferenza de potencial entre ambas as placas ten que ser a mesma (debido ao modo no que están conectados), así que cambiará a cantidade de carga. Como esta atópase no numerador () a suma de capacidades será simplemente a suma alxebraica.

Tamén vale lembrar que o cálculo da capacidade equivalente en paralelo é similar ao cálculo da resistencia de dous dispositivos en serie, e a capacidade en serie calcúlase de forma similar á resistencia en paralelo.

Condensadores variables[editar | editar a fonte]

Un condensador variable é aquel no cal se poida cambiar o valor da súa capacidade. No caso dun condensador plano, a capacidade pode expresarse pola seguinte ecuación:


onde:

é a permitividade do baleiro ≈ 8,854187817... × 10−12 F·m−1;
é a constante dieléctrica ou permitividade relativa do material dieléctrico entre as placas;
A é a área efectiva das placas;
e d é a distancia entre as placas ou espesor do dieléctrico.

Para ter un condensador variable hai que facer que polo menos unha das tres últimas expresións cambien de valor. Deste xeito, pódese ter un condensador no que unha das placas sexa móbil, por tanto varía d e a capacidade dependerá dese desprazamento, o cal podería ser utilizado, por exemplo, como sensor de desprazamento.

Outro tipo de condensador variable preséntase nos diodos Varicap.

Descrición[editar | editar a fonte]

Diagrama dun condensador de armaduras paralelas.

Un condensador está formado por dous eléctrodos, ou armaduras, separadas por un dieléctrico que evita que as cargas eléctricas pasen dun eléctrodo ao outro. As cargas poden chegar ás armaduras por outros camiños, por exemplo procedentes dunha batería, pero se se saca a batería as cargas continuarán nas armaduras. De acordo coa lei de Coulomb as cargas separadas polo dieléctrico atráense entre si e créase un campo eléctrico entre as armaduras. O condensador máis simple consiste en dúas armaduras anchas separadas por unha capa delgada de material dieléctrico.

Se asumimos que a área das armaduras é moito máis grande que a súa separación , entón o campo eléctrico instantáneo entre as armaduras é idéntico en calquera punto entre as dúas superficies. Se a carga instantánea se reparte regularmente, temos

,

onde é a permitividade do dieléctrico.

A voltaxe entre as armaduras virá dada por

,

onde é un punto entre as armaduras.

A capacitancia dun condensador de armaduras, e consecuentemente, a cantidade de enerxía que pode almacenar o condensador, e é proporcional á superficie das armaduras e inversamente proporcional á distancia entre estas. Tamén é proporcional á permitividade do material dieléctrico (é dicir, non condutor) que separa as armaduras, xa sexa o baleiro, aire ou outros materiais elixidos especificamente pola súa elevada permitividade eléctrica.

Para un certo número de eléctrodos ou armaduras idealizados é posible determinar con exactitude a súa capacidade e a forza do campo eléctrico. Na táboa seguinte a capacidade simbolízase como C e a forza do campo eléctrico no interior do condensador como E.

Tipo Capacidade Campo eléctrico Representación esquemática
Condensador plano Plate CapacitorII.svg
Condensador cilíndrico Cylindrical CapacitorII.svg
Condensador esférico Spherical Capacitor.svg
Esfera

Capacitancia[editar | editar a fonte]

A capacitancia, , é unha medida da cantidade de carga eléctrica almacenada en cada unha das armaduras para unha voltaxe dada

,

onde

para un condensador ideal de armaduras

onde

C é a capacitancia en faradios, F
ε é a permitividade do dieléctrico utilizado
A é a área de cada placa, medida en metros cadrados
d é a separación entre as armaduras, medida en metros

En unidades do Sistema Internacional, a capacitancia mídese en faradios, un condensador terá unha capacitancia dun faradio cando un culombio de carga produza unha diferenza de potencial dun voltio entre as armaduras. Como o faradio é unha unidade moi grande, o valor dun condensador exprésase a miúdo en microfaradios (μF), nanofaradios (nF), ou picofaradios (pF). En xeral, a capacitancia será máis grande se as armaduras son moi grandes e a distancia que as separa é moi pequena. A calidade do dieléctrico que hai entre as armaduras é determinante para a capacitancia do condensador dado que as súas moléculas quedan polarizadas de forma que se reduce o campo eléctrico interno e, por tanto, a voltaxe.

Almacenamento de enerxía[editar | editar a fonte]

O movemento de cargas entre as armaduras dun condensador debido a unha influencia externa xera un traballo. Cando a influencia externa desaparece a separación das cargas persiste, de forma que haberá unha enerxía almacenada no campo eléctrico creado pola presenza das cargas. Se é posible que as cargas volvan á súa posición de equilibrio poderase liberar a enerxía almacenada. O traballo necesario para establecer o campo eléctrico, e a cantidade de enerxía almacenada, virá dado por:

A cantidade máxima de enerxía que se poderá almacenar nun condensador virá dada polo límite da voltaxe de ruptura do dieléctrico. En consecuencia, todos os condensadores feitos cun determinado dieléctrico terán a posibilidade de almacenar aproximadamente a mesma densidade de carga (a mesma densidade de enerxía) se o dieléctrico é a parte dominado do seu volume. Canto máis volume teña o dieléctrico máis carga poderá almacenarse nas armaduras do condensador.

Envellecemento[editar | editar a fonte]

A capacitancia dalgúns tipos de condensador diminúe a medida que o material dieléctrico envellece. Os factores máis significativos que determinan o envellecemento son o tipo de dieléctrico e as temperaturas de traballo e de almacenamento, mentres que a tensión de traballo ten un efecto moi pequeno. O envellecemento é reversible por medio do quecemento do compoñente por enrriba da temperatura de Curie. No caso dos condensadores cerámicos o envellecemento é máis rápido ó comezo da vida do compoñente e despois estabilízase; nos condensadores electrolíticos, en cambio, o proceso prodúcese ao final da vida do compoñente ó evaporarse o electrólito.

Comportamentos ideal e real[editar | editar a fonte]

Fig. 1: Condensador ideal.

O condensador ideal (figura 1) pode definirse a partir da seguinte ecuación diferencial:


onde C é a capacidade, u(t) é a función diferenza de potencial aplicada aos seus terminais e i(t) a corrente resultante que circula.

Comportamento en corrente continua[editar | editar a fonte]

Un condensador real en CC (DC en inglés) compórtase practicamente como un ideal, é dicir, como un circuíto aberto. Isto é así en réxime permanente xa que en réxime transitorio, isto é, ao conectar ou desconectar un circuíto con condensador, suceden fenómenos eléctricos transitorios que inciden sobre a diferenza de potencial nos seus bornes.

Comportamento en corrente alterna[editar | editar a fonte]

Fig. 2: Diagrama cartesiano das tensións e corrente nun condensador.

Ao conectar unha CA sinusoidal v(t) a un condensador circulará unha corrente i(t), tamén sinusoidal, que o cargará, orixinando nos seus bornes unha caída de tensión, -vc(t), cuxo valor absoluto pode demostrarse que é igual ao de v(t). Todo o anterior, unha vez alcanzado o réxime estacionario. Ao dicir que polo condensador «circula» unha corrente, débese puntualizar que, en realidade, dita corrente nunca atravesa o seu dieléctrico. O que sucede é que o condensador cárgase e descarga ao ritmo da frecuencia de v(t), polo que a corrente circula externamente entre as súas armaduras. Isto fai referencia á corrente de condución pero, no interior do dieléctrico podemos falar da corrente de desprazamento.

Fig. 3: Diagrama fasorial.

O fenómeno físico do comportamento do condensador en CA pódese observar na figura 2. Entre os 0º e os 90º i(t) vai diminuíndo desde o seu valor máximo positivo a medida que aumenta a súa tensión de carga vc(t), chegando a ser nula cando alcanza o valor máximo negativo aos 90º, posto que a suma de tensións é cero (vc(t)+ v(t) = 0) nese momento. Entre os 90º e os 180º v(t) diminúe, e o condensador comeza a descargarse, diminuíndo por tanto vc(t). Nos 180º o condensador está completamente descargado, alcanzando i(t) o seu valor máximo negativo. Dos 180º aos 360º o razoamento é similar ao anterior.

De todo o anterior dedúcese que a corrente queda adiantada 90º respecto da tensión aplicada. Considerando, por tanto, un condensador C, como o da figura 1, ao que se aplica unha tensión alterna de valor:


De acordo coa lei de Ohm circulará unha corrente alterna, adiantada 90º () respecto da tensión aplicada (figura 4), de valor:


onde . Se se representa o valor eficaz da corrente obtida en forma polar:


Figura 4. Circuítos equivalentes dun condensador en CA.

E operando matematicamente:

Por tanto, nos circuítos de CA, un condensador ideal pódese asimilar a unha magnitude complexa sen parte real e parte imaxinaria negativa:

No condensador real, haberá que ter en conta a resistencia de perdas do seu dieléctrico, RC, podendo ser o seu circuíto equivalente, ou modelo, o que aparece na figura 4a) ou 4b) dependendo do tipo de condensador e da frecuencia á que se traballe, aínda que para análises máis precisas poden utilizarse modelos máis complexos que os anteriores.

Tipos de dieléctrico utilizados en condensadores[editar | editar a fonte]

Condensadores electrolíticos axiais.
Condensadores electrolíticos de tántalo.
Condensadores cerámicos, "SMD (montaxe superficial)" e de "disco".
Condensador variable dunha vella radio AM.
Condensadores modernos.
  • Condensadores de aire. Trátase de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire e encapsulados en vidro. Como a permitividade eléctrica relativa é a unidade, só permite valores de capacidade moi pequenos. Utilizouse en radio e radar, pois carecen de perdas e polarización no dieléctrico, funcionando ben a frecuencias elevadas.
  • Condensadores de mica. A mica posúe varias propiedades que a fan adecuada para dieléctrico de condensadores: baixas perdas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas e non se degrada por oxidación ou coa humidade. Sobre unha cara da lámina de mica deposítase aluminio, que forma unha armadura. Xúntanse varias destas láminas, soldando os extremos alternativamente a cada un dos terminais. Estes condensadores funcionan ben en altas frecuencias e soportan tensións elevadas, pero son caros e vanse substituíndo gradualmente por outros tipos.
  • Condensadores de papel. O dieléctrico é papel parafinado, baquelizado ou sometido a algún outro tratamento que reduce a súa higroscopia e aumenta o illamento. Xúntanse dúas cintas de papel, unha de aluminio, outras dúas de papel e outra de aluminio e enrólanse en espiral. As cintas de aluminio constitúen as dúas armaduras, que se conectan a senllos terminais. Utilízanse dúas cintas de papel para evitar os poros que poden presentar.
    • Condensadores autorrexenerables. Os condensadores de papel teñen aplicacións en ambientes industriais. Os condensadores autorrexenerables son condensadores de papel, pero a armadura realízase depositando aluminio sobre o papel. Ante unha situación de sobrecarga que supere a rixidez dieléctrica do dieléctrico, o papel rompe nalgún punto, producíndose un curtocircuíto entre as armaduras, pero este curto provoca unha alta densidade de corrente polas armaduras na zona da rotura. Esta corrente funde a fina capa de aluminio que rodea ao curtocircuíto, restablecendo o illamento entre as armaduras.
  • Condensadores electrolíticos. É un tipo de condensador que utiliza un electrólito, como a súa primeira armadura, a cal actúa como cátodo. Coa tensión axeitada, o electrólito deposita unha capa illante (a cal é en xeral unha capa moi fina de óxido de aluminio) sobre a segunda armadura ou cuba (ánodo), conseguindo así capacidades moi elevadas. Son inaxeitados para funcionar con corrente alterna. A polarización inversa destrúe o óxido, producindo un curtocircuíto entre o electrólito e a cuba, aumentando a temperatura, e por tanto, arde ou estala o condensador. Existen varios tipos, segundo a súa segunda armadura e electrólito empregados:
    • Condensadores de aluminio. É o tipo normal. A cuba é de aluminio e o electrólito unha disolución de acedo bórico. Funciona ben a baixas frecuencias, pero presenta perdas grandes a frecuencias medias e altas. Emprégase en fontes de alimentación e equipos de son. Moi utilizado en fontes de alimentación conmutadas.
    • Condensadores de tántalo. É outro condensador electrolítico, pero emprega tántalo en lugar de aluminio. Consegue correntes de perdas baixas, moito menores que nos condensadores de aluminio. Adoitan ter mellor relación capacidade/volume.
    • Condensadores bipolares (para corrente alterna). Están formados por dous condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados no caso de que a corrente poida inverterse. Son inservibles para altas frecuencias.
  • Condensadores de poliéster ou Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre as que se deposita aluminio, que forma as armaduras. Xuntanse estas láminas e conéctanse polos extremos. Do mesmo xeito, tamén se atopan condensadores de policarbonato e polipropileno.
  • Condensadores de poliestireno tamén coñecidos comunmente como Styroflex (marca rexistrada de Siemens). Outro tipo de condensadores de plástico, moi utilizado en radio, por dispor de coeficiente de temperatura inverso ás bobinas de sintonía, logrando deste xeito estabilidade nos circuítos resoantes.
  • Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar o dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por unha soa lámina de dieléctrico, pero tamén os hai formados por láminas xuntas. Dependendo do tipo, funcionan a distintas frecuencias, chegando ata as microondas.
  • Condensadores síncronos. É un motor síncrono que se comporta como un condensador.
  • Dieléctrico variable. Este tipo de condensador ten unha armadura móbil que vira ao redor dun eixo, permitindo que se introduza máis ou menos dentro da outra. O perfil da armadura adoita ser tal que a variación de capacidade é proporcional ao logaritmo do ángulo que vira o eixo.
    • Condensadores de axuste. Son tipos especiais de condensadores variables. As armaduras son semicirculares, podendo virar unha delas en torno ao centro, variando así a capacidade. Outro tipo baséase en achegar as armaduras, mediante un parafuso que as aperta.

Notas[editar | editar a fonte]

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Outros artigos[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]