En este post vamos a estudiar el funcionamiento del condensador tanto en continua como en alterna, así como su cálculo en agrupaciones serie y paralelo.

Si prefieres aquí tienes el vídeo de este post sobre condensadores

¿Que es un condensador?

Un condensador es un componente electrónico capaz de almacenar energía eléctrica.

No es como una batería ya que los condensadores se cargan y descargan muy rápido en comparación con una batería.

Un condensador está formado por dos placas metálicas o armaduras separadas por un material aislante llamado dieléctrico, como el aire, papel, cerámica, mica etc.

Simbología de un condensador.

Simbología del condensador
Simbología del condensador

Un condensador se comporta de forma diferente en corriente continua y en corriente alterna.

Funcionamiento en corriente continua.

Funcionamiento condensador en continua
Funcionamiento condensador en continua

Las armaduras metálicas como vimos en el post de la corriente eléctrica están compuestas por átomos que a su vez tienen electrones y protones.

Cronología del funcionamiento

Cuando a esas armaduras le conectamos una batería o fuente de alimentación, en la armadura conectada al polo positivo de la batería ocurre el siguiente fenómeno:

Los electrones de la armadura se ven fuertemente atraídos por la mayor concentración de protones del borne positivo de la batería.

Los electrones entran por el borne positivo y salen por el borne negativo de la batería, en este sentido la batería actúa como una especie de bomba que mantiene la circulación de los electrones , como los electrones una vez en el borne negativo no pueden retroceder ya que se lo impide la propia batería, van hacia la segunda armadura atraídos por la mayor carga positiva de la armadura de donde salieron.

Los electrones se van acumulando en la segunda placa con lo que esta quedará cargada negativamente por la mayor cantidad de electrones que que de protones y la primera placa quedará cargada positivamente (Mayor cantidad de protones)por la falta de electrones, esta acumulación de cargas de distinto signo en cada una de las placas crea un campo eléctrico debido a la atracción entre protones y electrones que no se llegan a unir debido al dieléctrico.

¿Porque se dice que el condensador en continua se comporta como un circuito abierto?

Cuando la fuerza de atracción entre las placas sea igual que la fuerza de atracción entre la primera placa y el borne positivo, cesará la circulación de electrones y por tanto cesará la corriente, en ese preciso momento se dice que el condensador esta cargado, por lo que se dice que los condensadores en corriente continua se comportan como circuitos abiertos.

Debido a la acumulación de distintos signos en las placas tenemos una diferencia de potencial o lo que es lo mismo un voltaje.

Si una vez cargado desconectamos la batería, el condensador mantiene su carga, pero no infinitamente ya que debido a imperfecciones de los materiales hay algunos electrones que atraviesan el dieléctrico y se acaban trasvasando y volviendo a su estado original despolarizado. 

Tensión de perforación

El condensador se carga a la tensión de la batería pero el aislante solo soporta hasta una tensión si sobrepasamos esa tensión rompemos el aislante, los electrones lo atraviesan y por lo tanto lo destruimos.

Por eso uno de los parámetros que hay que tener en cuenta a la hora de elegir un condensador es la tensión a la que va a trabajar, por lo tanto eligiremos uno con una tensión con un margen superior de seguridad.

Capacidad de un condensador

La capacidad de un condensador es la relación entre la carga eléctrica que adquieren las armaduras y el voltaje aplicado a las mismas

Fórmula de la capacidad de un condensador
Fórmula de la capacidad de un condensador

Q=medida en Culombios

V=medido en voltios

C=medido en faradios

También se expresa en función de la superficie de las armaduras, la separación entre ellas y el tipo de material usado en el dieléctrico.

Fórmula de la capacidad en función del material superficie y distancia entre armaduras
Fórmula de la capacidad en función del material superficie y distancia entre armaduras

C= Capacidad

K= Constante del dieléctrico

S=Superficie de las armaduras

e= separación entre las armaduras.

La capacidad se mide en faradios, pero esta unidad es muy grande es como si pretendiéramos medir la estatura de un individuo en kilómetros, por lo tanto se usan submúltiplos como:

milifaradio = 0´001 faradios

microfaradio = 0´000001 faradios

nanofaradio = 0´000000001 faradios

picofaradio = 0´000000000001 faradios

Curva de carga y descarga de un condensador

Esta curva representa la cantidad de carga almacenada a través del tiempo en la carga en verde y en la descarga en rojo.

Carga y descarga de un condensador
Carga y descarga de un condensador

Ayudandonos de este circuito podemos observar que cuando ponemos el conmutador en posición de carga, el condensador de 330µf se carga a través de la resistencia de 10KΩ esto se ve representado en la gráfica en la zona verde.

Existe una fórmula que describe la cantidad de tensión instantanea en el condensador en función del tiempo

Dada por

fórmula tensión instantánea en la carga de un condensador
fórmula tensión instantánea en la carga de un condensador

v= tensión en el momento instantáneo

V= tensión de alimentación

e= base de los logaritmos neperiano 2´718

Al producto de R.C se le denomina constante de tiempo y se designa con la letra τ e indica el tiempo que tarda el condensador en llegar al 63% de la tensión de aplicada.

La fórmula que describe la tensión en el condensador en el proceso de descarga viene dada por

fórmula tensión instantánea en la descarga de un condensador

fórmula tensión instantánea en la descarga de un condensador

Una fórmula practica para calcular el tiempo que tarda un condensador en cargarse o descargarse es unas cinco veces el producto de la resistencia por la capacidad del condensador.

TIEMPO DE CARGA O DESCARGA = 5 . R .C

Con los valores del circuito vamos a calcular cuanto tiempo tardaría en cargarse o descargarse el condensador cuando pasamos el conmutador a la posición de descarga

En el siguiente circuito puedes observar como he conectado un voltímetro en paralelo con el condensador para ver la tensión que va adquiriendo y un amperímetro para ver la corriente como deja de circular cuando el condensador está cargado.

circuito de carga y descarga de un condensador
circuito de carga y descarga de un condensador

El condensador en corriente alterna.

Aquí el condensador se comporta de forma distinta que con la corriente continua, mientras en esta los condensadores se tratan como circuitos abiertos cuando se cargan y no dejan circular la corriente, en alterna no ocurre esto, sino que se tratan como si fueran circuitos cerrados.

Como en la corriente alterna durante el semiciclo positivo los electrones circulan en un sentido y en el semiciclo negativo circulan al contrario el condensador se carga con una polaridad en un semiciclo y con la contraria en el otro

Dirección de los electrones en un condensador durante el semiciclo positívo
Dirección de los electrones en un condensador durante el semiciclo positívo
Dirección de los electrones en un condensador durante el semiciclo negativo

Dirección de los electrones en un condensador durante el semiciclo negativo

Reactancia capacitiva

Un condensador permite el paso de la corriente alterna, pero ofrece cierta resistencia a su paso.

Esta resistencia depende de la capacidad y de la frecuencia.

Esta resistencia se llama reactancia capacitiva y viene dada por la fórmula:

Reactancia capacitiva
Reactancia capacitiva

Ej: un condensador de 470µf conectado a un generador de alterna de una frecuencia de 50Hz

cálculo reactancia capacitiva.
cálculo reactancia capacitiva

Acoplamiento de condensadores

Agrupación de condensadores serie-paralelo
Agrupación de condensadores serie-paralelo

En este caso se calculan de forma inversa a las resistencias

Acoplamiento de condensadores en serie se calculan de la siguiente forma:

Cálculo serie condensadores condensadores
Cálculo serie condensadores condensadores

Veamos ahora el valor de la capacidad total de la agrupación de esos mismos condensadores en paralelo.

Cálculo de condensadores en paralelo
Cálculo de condensadores en paralelo

Como puedes observar hay una diferencia considerable de la capacidad total resultante según los agrupes en serie o en paralelo.

Tipos de condensadores

Los más comunes son:

1.Condensadores de cerámica

2.Condensadores de lámina de plástico

3.Condensadores de mica

4.Condensadores de poliester

5.Condensadores electrolíticos Ojo estos tienen polaridad, si se invierte su polaridad explotan

6.Condensadores de tantalio estos también tienen polaridad

fotografía distintos tipos de condensadores
fotografía distintos tipos de condensadores

Hay que tener especial cuidado con los electrolíticos y los de tantalio un subtipo de los anteriores, si se ponen al revés explotan normalmente te marcan cual es el negativo aunque podrían marcar tambien el positivo.

En la siguiente imagen puedes apreciar un condensador electrolítico donde indica la patilla del negativo con una banda dorada, además indica la capacidad 680µf y la máxima tensión de trabajo que es de 50 voltios.

marcado negativo de un condensador electrolítico
marcado negativo de un condensador electrolítico

Usos de los condensadores

Los condensadores se usan en infinidad de aplicaciones como son:

Memorias

Acoplo entre etapas de un amplificador

Transmisión de señales de radio

Temporizadores

Corrección de la potencia reactiva

Eliminación del rizado en las fuentes de alimentación etc