CAPACITANCIA Y CAPACITORES

1a. Parte

Comencemos este tema preguntándonos: que es un capacitor?

Los capacitores de papel, plástico (es decir película) y la combinación de papel y plástico, cumplen casi todos los requerimientos para los cuales son empleados.

Los de plástico constituyen un gran grupo con una amplia variedad de tipos, voltajes y temperaturas de operación. Sin embargo se siguen investigando otros materiales dieléctricos, procesos y técnicas, las cuales prometen seguir expandiendo esta familia de productos.

Un capacitor o condensador, es un componente eléctrico pasivo, que consiste en su forma básica de dos electrodos metálicos o placas, separadas por un material dieléctrico, es decir aislante.

El símbolo electrónico de un capacitor es la letra "C" y su unidad de medida es el Faradio. Un capacitor tiene una capacidad de 1 Faradio cuando aplicando 1 voltio a traves de un capacitor, este produce una circulación de corriente de 1 Amperio.

Debido a que esta unidad resulta muy grande, los valores mas comunes para capacitores se dan en microfaradios o sea 10-6, nanofaradios 10-9 y picofaradios 10-12. La capacitancia tiene una curiosa analogía con la elasticidad mecánica.

No siendo el propósito de esta charla entrar en cuestiones muy teóricas no diremos como se desarrolla la fórmula de capacitancia respecto al area que es C=Q/V donde Q es la carga en estatoculombios y V el voltaje aplicado, de lo cual también obtenemos que C es igual a KA/4pid, donde K es la constante dieléctrica efectiva del material entre las placas, A es el area en Cms. cuadrados y d la distancia entre placas expresada en Cms.

De esta fórmula básica podemos deducir que C (la capacitancia) es directamente proporcional a la constante dieléctrica K e inversamente proporcional a la distancia que separa las placas.

A continuación damos una tabla de varios dieléctricos con su respectiva constante y que son ampliamente utilizados en la fabricación de capacitores.

La constante K es la propiedad que tiene un material aislante para almacenar energía electrostática en un determinado volumen cuando se aplica un voltaje.

El factor K esta comparado con la misma capacidad que resultaría si el dieléctrico fuera aire, pudiendo advertirse en esta tabla que las constante varian de acuerdo a la pureza del dieléctrico.

Vacio 1.0 (exacto) Poliamida 3.2

Aire 1.0001 Polietileno 3.2

Teflón 2.0 Papel Kraft 2.0 a 6.0

Poliestireno 2.5 Mica 6.8

Polipropileno 2.5 Oxido de Aluminio 7.0

Policarbonato 2.7 Oxido de Tantalio 11.0

Polisulfuro 2.7 Cerámicas 350 a 6000+

Poliéster 3.0

2a. Parte

En la primera arte de esta charla habíamos hablado acerca de los principios de funcionamiento de estos componentes y especialmente sobre las propiedades de los diferentes materiales dieléctricos que se utilizan en su fabricación.

Hoy comenzamos a ver las propiedades mecánicas, eléctricas y ambientales que determinan el tipo de capacitor que debemos utilizar para determinada aplicación.

El diseñador de circuitos, debe considerar varios factores antes de escoger el tipo de capacitor que va a emplear y que debe reunir los requerimientos de un determinado diseño, sin importar la aplicación. A continuación mencionamos algunos de estos factores que se deben considerarse.

Eléctricos: Capacitancia, Tolerancia, Régimen de Voltaje, Corriente en DC y pulsos AC, Resistencia de la Aislamiento, Resistencia En Serie Equivalente (ESR), Factor de Disipación (DF) y cambio de la Capacitancia con la temperatura.

Mecánicos: Tamaño, Configuración de sus terminales, Tipo de montaje.

Ambientales: Rango de la Temperatura de Operación, Resistencia a la humedad, Golpes y Vibración y Resistencia química.

Pasemos a ver ahora las aplicaciones o usos, que caen en una de las siguientes tres divisiones: (1) como un medio de discriminar entre frecuencias bajas y altas de corriente alterna, (2) como un método para almacenar y entregar energía, (3) como una forma de discriminar entre corriente contínua y corriente alterna.

A continuación comenzamos a describir varias aplicaciones, aunque a veces no existe una línea divisoria bien marcada entre una aplicación y la otra.

Acoplamiento y desacoplamiento (bloqueo).- Los capacitores de acoplamiento son utilizados para "enlazar" dos circuitos, este acoplamiento se realiza a través de una reactancia capacitiva común para los dos circuitos.

El capacitor de desacoplamiento es aquel que provee un paso de baja impedancia hacia tierra, para prever un "acoplamiento" entre las etapas de un circuito.

Un capacitor puede ser usado para bloquear voltajes de corriente contínua (DC) debido a que una vez cargado, es en esencia un circuito abierto a la corriente contínua, mientras que permite el paso de corriente alterna. Para lograr un acoplamiento efectivo es importante que la reactancia del capacitor sea baja para el rango total de frecuencia que deseamos acoplar, de otra manera ciertas frecuencias pueden ser atenuadas cuando se comparan con las demás frecuencias.

El dieléctrico mas utilizado para estos fines es el polipropileno y el policarbonato.

Derivación o "bypass.- por definición un capacitor de bypass es un dispositivo que se emplea para conducir corriente alterna (AC) sobre uno o un grupo de componentes, y debe ofrecer una oposición imperceptible a las frecuencias que deben derivarse o mal dicho "bypassearse". El capacitor actúa como un conducto para la corriente alterna, derIvando esta señal a tierra. Tres de los mas importantes factores que se deben tener en cuenta cuando se escoje un capacitor para derivar son: su impedancia, factor de disipación y su resistencia de aislamiento. Cuando este dispositivo se instala, sus terminales deben mantenerse lo mas corto posible a fin de eliminar la inductancia parásita.

Para esta aplicación se deben seleccionar los capacitores con dieléctrico de policarbonato, poliéster o polipropileno.

3a. Parte

Hoy día continuamos revisando algunas aplicaciones en las que se emplean los capacitores.

Corrección del Factor de Potencia.- En un circuito de Corriente Alterna existe una relación entre la potencia que se consume realmente y la potencia aparente (voltaje por amperaje), que se expresa en forma porcentual o decimal.

La corrección del factor de potencia consiste en incrementar el factor de potencia de una carga inductiva, agregando capacitancia. La eficiencia del sistema de generació, distribución o conversión de energía, se incrementa cuando opera a un factor de potencia cerca de 1. La manera mas económica de lograrlo es instalando capacitores para corregir dicho factor. Los capacitores deben ser capaces de soportar los transitorios de alto voltaje así como las variaciones de tensión, sin dañarse.

La mejor elección para esta aplicación son los capacitores de poliéster Kraft o los de Polipropileno.

Temporización, muestreo y retención.- En este tipo de aplicaciones, el capacitor es usado como un medio de almacenamiento temporal hasta alcanzar la constante de tiempo, o en los circuitos de muestreo y retención, se complete una muestra.

Para cambiar el voltaje a traves del capacitor, es necesario cambiar la carga almacenada que demora un tiempo finito. Este fenómeno es el que se utiliza en los circuitos de temporización tales como osciladores, generadores de señales, y temporizadores con enclavamiento.

Para la selección de los capacitores mas adecuados para esta aplicación se debe tener en cuenta una extremada estabilidad de capacitancia, alta resistencia de aislamiento, relativamente baja ESR (resistencia equivalente en serie) y una baja absorción del dieléctrico. Los capacitores muy apropiados para esta aplicación son los de poliestireno.

Almacenamiento de Energía.- Para ciertas aplicaciones se requiere tener pulsos breves pero de alta energía y en forma periódica, en vez de un flujo contínuo de corriente. Como ejemplos tenemos los flashes electrónicos o la descarga capacitiva en los vehículos. Estos pulsos pueden tener cientos y hasta miles de amperios. El capacitor mas adecuado para esta aplicación es el de película de Polipropileno.

Filtraje.- Las fuentes de poder reciben energía de corriente alterna ya sea de la línea de suministro comercial, un grupo electrógeno o un inversor.

En condiciones normales la corriente alterna es rectificada produciéndose una corriente contínua pulsante, la cual debe ser "suavizada" para eliminar las variaciones de voltaje o rizado (en inglés Ripple). Este simple método utiliza un capacitor bastante grande o una combinación de capacitores e inductores.

Los capacitores de poliéster son utilizados en fuentes de poder recias, y en fuentes de poder conmutadas o "switching" se usan los capacitores con dieléctrico de polipropileno por su baja ESR y por lata capacidad para manejar altas corrientes.