Cuando trabajamos con variaciones de voltaje y corriente, o lo que llamamos "señales alternas", descubrimos dos elementos que son prácticamente invisibles para la corriente continua (CC) pura: los capacitores y los inductores.
Estos dos componentes, junto a las resistencias, forman la tríada de elementos pasivos de circuito lineal, la base de casi todos los diseños electrónicos. El capacitor, en particular, es un componente indispensable. Es esencial para la generación de formas de onda, el filtrado de ruido, las funciones de bloqueo y derivación (bypass), e incluso para armar integradores y diferenciadores. Además, al combinarlos con inductores, podemos diseñar filtros selectivos de alta precisión que nos permiten separar una señal deseada del molesto ruido de fondo.
Símbolos de capacitor no polarizado y polarizado.
¿Que es un capacitor?
Un capacitor es fundamentalmente un dispositivo diseñado para almacenar carga eléctrica y, por extensión, energía. El capacitor más básico consiste de dos placas conductoras paralelas, muy próximas entre sí, separadas por un material aislante, conocido como dieléctrico.
Un capacitor de [C] faradios con una tensión [V] sobre él almacena una carga de [Q] culombios. Esta relación se describe mediante la siguiente fórmula:
Q = CxV
Carga almacenada en un capacitor.
El Faradio [F] es la medida de la capacidad del capacitor. A su vez, la capacidad se define por la geometría del componente:
C = 8.85x10^-14.εA/d
Capacidad del capacitor
Donde [ε] es la permitividad relativa del dieléctrico, [A] es el área de las placas y [d] es la distancia entre ellas.
De esta ecuación se desprende que para obtener grandes capacidades se necesitan placas de gran área y muy juntas. Para las capacidades más pequeñas (como los pF o algunos nF), se utiliza la construcción básica de placas paralelas. Sin embargo, para conseguir grandes valores, la clave es aumentar el área de las placas y disminuir la distancia [d].
La estrategia más común para lograr esto es depositar un material conductor sobre una película aislante muy delgada (el dieléctrico), como puede ser una lámina de plástico aluminizado que luego se enrolla en una configuración cilíndrica.
Construcción interna de un capacitor enrollado
El Capacitor en Corriente Alterna
En aplicaciones de señales variables, una analogía muy básica es considerar el capacitor como una "resistencia" dependiente de la frecuencia. Esta imagen nos sirve para analizar una variedad de circuitos sencillos.
- A frecuencias muy bajas, posee una impedancia (la forma de decir resistencia en alterna) muy alta, siendo infinita para señales DC.
- A altas frecuencias, su impedancia es baja.
Esta característica es la que se utiliza en la mayoría de los casos. Permite bloquear el paso de corriente continua (DC) hacia lugares que no queremos, o también derivar/quitar señales alternas de donde no las necesitamos.
La impedancia capacitiva, [Zc], se calcula como ZC = 1/(2πfC), lo que demuestra su dependencia inversa de la frecuencia y de la capacidad.
Asociación de Capacitores: Serie y Paralelo
Los capacitores se pueden combinar en conexiones serie o paralelo, al igual que las resistencias.
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Conexión en Paralelo: Cuando los capacitores se conectan en paralelo, las capacidades individuales se suman, dando como resultado un capacitor mayor:
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Conexión en Serie: Cuando los capacitores se conectan en serie, se reduce la capacidad. El total será menor que la capacidad del capacitor más pequeño de la serie.
Características Clave del Componente
Muchas veces se asume que los diferentes tipos de capacitores son intercambiables, siempre que se cumpla con la capacidad y el voltaje máximo correctos. Sin embargo, aquí veremos que hay más por saber sobre este componente.
- Capacidad: Es la propiedad de un capacitor de almacenar carga eléctrica. La unidad base es el Faradio, pero en electrónica se usan submultiplos uF(micro faradios), nF(nano faradios) y pF(pico faradios).
- Voltaje máximo: Voltaje máximo o tensión nominal. Es el valor máximo de tensión continua (DC) que el capacitor puede soportar de manera segura y continua sin sufrir fallos en el dieléctrico (ruptura). Siempre debe ser mayor que el voltaje real del circuito.
- ESR(Resistencia serie equivalente): Es la medida de la resistencia interna de un capacitor, la cual causa que una porción de la energía se pierda en forma de calor. Este calor generado es lo que causa la degradación del capacitor. Es un parámetro crítico en fuentes de alimentación y circuitos de alta frecuencia.
- Coeficiente de temperatura: Describe cómo varía el valor de la capacidad con los cambios de temperatura. Se suele expresar en partes por millón por grado Celsius (ppm/°C). Fundamental para circuitos de precisión.
- Coeficiente de voltaje: Describe cómo la capacidad varía en función de la tensión aplicada. Esto se debe a que las propiedades dieléctricas de los materiales aislantes dependen del campo eléctrico
Tecnologías de Montaje
La elección del capacitor no solo se trata del valor de su capacidad, sino de su construcción física. Así como con las resistencias, los capacitores también vienen en dos presentaciones:
- Montaje de Agujero Pasante (THT - Through-Hole Technology): Tienen pines para insertarse en agujeros de la PCB.
- Montaje Superficial (SMD - Surface Mount Device): Se sueldan directamente sobre la superficie de la PCB. Los capacitores SMD de mayor tamaño son factibles de soldar a mano con soldador común.
Capacitores THT y SMD
Casos de Uso y Tipos de Capacitores Recomendados
Existe una gran variedad de capacitores hechos de diferentes materiales. Elegir el adecuado puede ser una tarea abrumadora. Por eso, en esta sección veremos diferentes casos de uso y qué capacitor es el adecuado para cada escenario.
1. Bypass y Desacople
El bypass o desacople consiste en eliminar una señal alterna de un nodo en un circuito. Generalmente hablamos de bypass cuando se trata de una señal y desacople cuando se trata de la tensión de alimentación de un circuito integrado (CI).
- Para Bypass (Señales de Audio/Baja Frecuencia): Se recomiendan capacitores electrolíticos. Su valor dependerá de la frecuencia de la señal; se busca que el capacitor tenga una impedancia pequeña a la frecuencia en cuestión. Para señales de audio, valores de 1uF o mayores están bien.
- Para Desacople (Líneas de Alimentación de CIs): Se recomiendan capacitores cerámicos de valores cercanos a los 100nF de dieléctrico X7R o X5R. Los SMD son preferibles en estos casos por su baja inductancia parásita. También se pueden agregar capacitores electrolíticos de algunos uF en paralelo para absorber picos de corriente mayores.
Ejemplo de bypass y desacople
2. Osciladores, Filtros y Circuitos Temporizadores
En esta clase de circuitos, la estabilidad del capacitor es lo más importante. Bajo todas las condiciones de funcionamiento (temperatura, humedad, etc.), el circuito debe mantener su comportamiento.
Se recomienda el uso de capacitores de MICA, cerámicos C0G (NP0) o de FILM. Este tipo de materiales proveen mayor estabilidad en el valor de capacitancia y tienen un coeficiente de temperatura muy bajo.
Ejemplo de capacitores C1, C2, C3 definiendo frecuencia en oscilador
3. Almacenamiento de Energía y Filtros en Fuentes de Alimentación
Para almacenar energía se necesitan grandes valores de capacidad. Esto solo es provisto por los capacitores electrolíticos de aluminio. El voltaje máximo debe ser adecuado y se prefiere un bajo ESR para minimizar el calentamiento en la etapa de filtrado de una fuente conmutada.
Los capacitores de tántalo (que son un tipo de electrolítico) también pueden ser una opción, siendo generalmente de menor tamaño y ofreciendo mejor rendimiento de ESR, aunque a un costo mayor.
Ejempli de capacitor de filtro en fuente de alimentación, C1.
Conclusión
El capacitor es un componente dinámico y esencial cuya capacidad, voltaje máximo, y, crucialmente, su ESR y material dieléctrico definen gran parte del rendimiento de un circuito. Como hemos visto, la selección del capacitor adecuado es tan importante como su valor nominal, especialmente en el mundo del diseño electrónico práctico y la creación de proyectos.