¿Cuantos tipos de capacitores hay?
Muchos y cada
uno tiene una función específica.
- Capacitores
electrolíticos (polarizados, no polarizados y de Tantalio)
- Capacitores
de polyester (metalizado y no metalizados)
- Capacitores
cerámicos (disco y Plate)
- Capacitores de mica plata
- Capacitores SMD
Capacitor
elemental
El capacitor esta construido con dos
laminas metálicas separadas por aire. Experimentalmente se puede demostrar que
cuando mas grandes son las laminas mayor es la capacidad del capacitor y que lo
mismo ocurre cuando mas cerca está una lamina de la otra. Con las laminas esféricas es evidente que la superficie enfrentada varia constantemente y la
capacidad que se obtiene es muy baja.
Pieter van Musschenbroek físico y científico
holandés que nació en Leyden, Holanda el 14 de marzo de 1692 y murió
en 1761. Durante el año de 1746 construye el primer capacitor
práctico y lo llama, en honor a la Universidad y Ciudad de donde era oriundo,
“Botella de Leyden”. El nombre de la “Botella de Leyden” quedó en la historia
como uno de los grandes descubrimientos de la ciencia y consistía en una
botella de vidrio con delgadas láminas metálicas que la cubrían por dentro y por
fuera. Una varilla metálica atravesaba la tapa aislante haciendo contacto con
la lámina interna. Entre las placas interna y externa se aplicaba una
diferencia de potencial que hacía que la “Botella de Leyden” se cargara. Una
vez cargada se la podía descargar acercando el conductor central a la placa
externa, produciendo la perforación dieléctrica del aire mediante una chispa.
Lo que se busca al diseñar un capacitor, es que
exista una gran superficie de enfrentamiento entre los dos cuerpos metálicos
que ofician de placas. Pero ¿por qué Musschenbroek utilizo el vidrio para
separar las placas metálicas? Porque observó que la capacidad era fuertemente
dependiente del material utilizado para separar los cuerpos metálicos o placas
y que llamó “dielectrico”.
Sabemos que un capacitor acumula energía eléctrica.
Pero en donde esta acumulada esa energía eléctrica ¿en las placas o en el
dieléctrico? Musschenbroek estaba seguro que era en las placas como parece
indicar la lógica y para demostrarlo fabricó un capacitor desarmable con dos
chapas cuadradas y un vidrio que podía retirase a voluntad para reemplazarlo
por otro vidrio. Armó el capacitor lo cargó con varios KV, sacó el vidrio y
coloco un vidrio virgen; probó si sacaba chispas y se sorprendió al ver que el
capacitor estaba descargado. Volvió a colocar el primer vidrio y observó que el
capacitor produjo chispas al unir las placas con un conductor.
Es decir que la energía estaba en el dieléctrico,
lo cual explicaba que la capacidad dependiera del mismo. De sus estudios y
experimentos dedujo que la energía no podía estar acumulada en las placas
porque un metal no puede tener diferencias de potencial en su interior debido a
la movilidad de los electrones. En cambio, en el dieléctrico, si los electrones
son reubicados se quedan en esa misma posición por una infinita cantidad de
tiempo si el dieléctrico es ideal (no tiene fugas). Se puede decir que en el
dieléctrico existe un campo eléctrico con zonas donde hay un exceso de
electrones a zonas donde hay una ausencia de electrones. Todo el dieléctrico es
neutro pero sus diferentes zonas tienen lo que se llama un gradiente de
potencial que va variando linealmente de una zona positiva a otra negativa.
La capacidad de un capacitor es directamente
proporcional a la superficie enfrentada de las placas e inversamente
proporcional a la separación o espesor del dieléctrico. La constante de
proporcionalidad es un coeficiente que depende del dieléctrico utilizado y se
llama constante dieléctrica. Cuando se requieren grandes capacidades se recurre
a realizar dieléctricos de muy bajo espesor y placas de mucha superficie. Algo
muy común es realizar placas y dieléctricos muy largos y luego enrollarlas
sobre si misma. Otro modo es realizar mas de dos capas metálicas planas y unir
todas las placas pares y todas las placas impares. Más adelante volveremos
sobre la tecnología de los capacitores.
La capacidad de un capacitor se mide en Faradios
(F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador al que, sometidas sus
armaduras a una d.d.p. de 1V éste adquiere una carga eléctrica de 1 Culombio de
electricidad.
Un capacitor de 1 faradio es mucho más grande que
la mayoría de los capacitores utilizados en electrónica, por lo que en la
práctica se suele indicar la capacidad en submúltiplos del F. Los
supercondensadores son la excepción. Están hechos de carbón activado para
conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las
“placas”. Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de
faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko,
con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se
están utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.
El valor de la capacidad viene definido por la
fórmula siguiente
Q = C . V
en donde:
- C: Capacidad
- Q: Carga eléctrica
- V:
Diferencia de potencial o tensión aplicada
Ahora imagínese al capacitor como un recipiente de
electrones cuando mas tensión V le aplica mas electrones entran en el mismo. Lo
mismo ocurre cuando mas grande es el recipiente “C”.
Capacitores cerámicos
Los capacitores cerámicos sueles ser de dos tipos
diferentes. Los cerámicos disco son los mas comunes y tienen una forma muy
simple: se trata de un disco de material aislante cerámico de elevada constante
dieléctrica metalizado en sus dos caras. Sobre el metalizado se sueldan los dos
chicotes de conexión resultando un dispositivo como el mostrado en la figura 3
en donde se observa el capacitor si su baño final de pintura epoxi que tapa el
disco y parte de los terminales.
Este tipo de capacitor se provee desde capacidades
de 2,2 pF hasta .1 uF en tensiones relativamente bajas de 63V. Existen también
capacitores cerámicos disco de mayor tensión para aplicaciones especiales que
llegan a valores de 2 KV.
Este tipo de capacitor se utiliza en constantes de
tiempo bajas del orden del uS o menores aun. La tolerancia mas común es del 5%
y los de valores bajos hasta 100 pF no varían con la temperatura y se denominan
NP0. Los valores mayores pueden tener coeficientes de variación con la
temperatura positivos o negativos que algunas veces se utilizan para compensar
el coeficiente del resistor y lograr una constante de tiempo fija que no varíe
con la temperatura.
Por lo general estos capacitores están marcados con
lo que se llama el método Japonés que consiste en utilizar un código de 3
cifras en donde las dos primeras cifras indican el valor absoluto del capacitor
y la tercera indica la cantidad de ceros que se deben agregar a las dos
primeras cifras, para obtener la capacidad en pF. Por ejemplo un capacitor
marcado 223 es de 22.000 pF. Para que no existan confusiones con los capacitores
de bajos valores cuando se utiliza este código se lo escribe subrayado (en
nuestro ejemplo 223). Si un capacitor es de 220 con subrayado es de 22 pF y si
no lo está es de 220pF. Observe que el mismo capacitor de 22 pF podría estar
marcado 220 o 22.
Otra tecnología muy parecida es la de los
capacitores Plate que se caracterizan por tener una forma rectangular en lugar
de la clásica circular como la de los disco. En realidad la palabra Plate es
una marca registrada de Philips. Pero su uso es tan común que se lo toma como
un denominación de tipo. Están construidos igual que los disco con una pastilla
cerámica plateada en sus dos caras en donde se sueldan posteriormente los
terminales de alambre de cobre. La marcación de estos capacitores es simplemente
escribir el valor en una unidad cómoda utilizándola la letra de la unidad como
una coma decimal. Por ejemplo un capacitor marcado 4n7 es un capacitor de 4,7
nF. Se puede observar que los capacitores posee su cabeza pintada de un color
que determina la variación de la capacidad con la temperatura. Por ejemplo una
cabeza negra significa que es un capacitor NP0 que no varía con la temperatura.
Los dos tipos de capacitores tratados suelen tener
versiones multicapa que poseen una elevada capacidad en un pequeño tamaño.
Capacitores con dieléctrico de
plástico
Por lo general se fabrican partiendo de dos finos
folios de polyester que se enrollan junto con dos láminas también muy finas de
aluminio, para formar las placas del capacitor. Una variante para lograr tamaños
mas pequeños consiste en metalizar el plástico usado como dieléctrico. La
primer versión suele utilizarse para capacitores que requieran una elevada
corriente circulando por ellos, debido a que la presencia de las laminas
metálicas ayudan a extraer el calor interno y el mayor tamaño ayuda a disipar
el calor que llega al exterior. La segunda versión se utiliza donde solo
existen bajas corrientes.
El tipo de dieléctrico utilizado se presta para
construir capacitores de elevada tensión de aislación que está estandarizada en
250V, 400V y 630V. En cuanto a la banda de capacidades que se pueden construir;
esta suele comenzar en 1.000 pF y llegar hasta 0,47 uF (habitualmente se dice
.47 uF) o 1 uF.
Existe dos modos de marcar estos capacitores de
acuerdo al fabricante.
- Philips
suele
pintarlos con tres bandas de colores para la capacidad de modo que se
comiencen a leer por la banda mas alejada de los terminales con el clásico
código de colores de resistores (primer valor significativo, segundo valor
significativo, cantidad de ceros) con la capacidad expresada en
pF. Estos capacitores tienen una aceptable estabilidad con la
temperatura y un coeficiente térmico que compensa perfectamente la
variación de un resistor de carbón. De este modo suelen ser los capacitores
elegidos cuando se diseña una constante de tiempo RC.
- Siemens
imprime
directamente las características del capacitor en el cuerpo (normalmente
pintado de naranja) y usa una tecnología algo diferente que se llama
multicapa. Los capacitores no son enrollados sino con capas metálicas
planas y entrelazadas. Pero a todos los efectos se considera a ambas
tecnologías como equivalentes y solo diferenciables en que los capacitores
de Philips tienen simetría cilíndrica y los de Siemens tienen simetría
cúbica.
Capacitores electrolíticos
Donde se requiera un pequeño tamaño son
indispensables los capacitores electrolíticos cuya faja de capacidades suele
empezar en .47 uF y llegar hasta 10 mF. Un capacitor electrolítico esta
construido enrollando dos laminas de aluminio y dos láminas de papel mojado en
agua acidulada llamada electrolito. El electrolito es un camino de
relativamente baja resistencia es decir que inmediatamente después de
fabricado, no tenemos un capacitor sino un dispositivo sin terminar que se
llama protocapacitor. El protocacitor se conecta a una fuente de corriente de
modo que el ácido oxide a una de las placas de aluminio. Como el óxido es un
aislador, un tiempo después se forma un capacitor electrolitico polarizado en
donde la placa positiva esta oxidada.
El valor de capacidad y de tensión no solo depende
de las características geométricas de las placas sino que depende fuertemente
de este interesante proceso de formación que no es permanente. En efecto el
único componente electrónico con fecha de vencimiento es el electrolítico ya
que si se lo deja mucho tiempo sin aplicarle tensión se desforma variando su
capacidad y su tensión de aislación.
Podríamos decir que un electrolítico (normalmente
se obvia la palabra capacitor) es un componente vivo que se alimenta del
equipo. Y si el equipo no se usa por mucho tiempo los electrolíticos fallan y
hasta inclusive explotan si son circulados por una corriente excesiva. Por lo
común el buen diseñador tiene en cuenta el problema y suele (cuando el circuito
lo permite) agregar algún pequeño resistor en serie para evitar la explosión.
De este modo por lo general el electrolítico se hincha en su cara superior y en
su tapón de goma inferior por la presión de los gases generados en su interior,
pero no llega a explotar.
Si el lector tiene educación informática sabe que muchos
de los problemas de un motherboard se arreglan al cambiar los electrolíticos,
sobre todo si estos se ven hinchados o si existen derrames de líquido a su
alrededor.
Cuando se reemplaza un electrolítico, se debe prestar la mayor
atención al valor de tensión del mismo. Existe una falsa información muy
difundida en nuestro gremio que indica: un electrolítico de mayor tensión puede
reemplazar siempre a otro de menor tensión. Esto es cierto con el fin de realizar
una prueba; pero luego es conveniente realizar un reemplazo definitivo sin
exceder el rango de tensión. La razón de esto obedece al fenómeno de la
deformación de un electrolítico que tiene aplicada una tensión muy pequeña para
su valor de trabajo.
Si Ud. posee experiencia en la reparación, habrá
observado que los electrolíticos de bajo valor son mas susceptibles de fallar
que los de valor m´ss elevado. Esto parecería no tener una explicación simple.
Pero la tiene. Sucede que cuando un fabricante tiene que hacer capacitores de
bajo valor se encuentra con un problema; con unas cuantas vueltas ya se pasa de
capacidad. Entonces hace circular corriente por mucho tiempo para que la capa
de oxido sea de mayor espesor; de este modo controla la capacidad pero no puede
evitar que el capacitor fabricado tenga una tensión de trabajo elevada. Como el
comprador pide de un valor mas bajo, lo marca con ese valor para dejarlo
conforme, pensando en que las pruebas de control de calidad va a dar bien de
cualquier modo. Y en efecto así es, pero ese capacitor ya tiene la simiente de
la falla marcada en su cuerpo. Donde dice 12V debería tal ves decir 250V. Si el
equipo provee 6V es prácticamente como si el capacitor estuviera sin alimentar
y unos pocos meses después falla catastróficamente por deformación.
Debido a todos estos problemas, el electrolítico es
el dispositivo de mayores tolerancia que usamos en la electrónica. En efecto la
tolerancia normal es de -30% +100%. También son muy susceptibles de variar de
acuerdo a la temperatura. Por todas estas razones su uso se ve limitado solo a
alisar tensiones de fuente y solo cuando las fluctuaciones son muy lentas,
porque su construcción enrollada los hace comportar mas como inductores (que
serán estudiados en la próxima entrega) que como capacitores.
Otro problema es su polarización. Un electrolítico
debe recibir la tensión positiva en el terminal marcado + . Si por error se
conecta al revés, se produce una elevada circulación de corriente ya que el
electrolítico intenta formarse con la polaridad inversa, se calienta y explota.
Si el circuito puede invertir su tensión se deberán utilizar electrolíticos no
polarizados (internamente poseen dos electrolíticos en inversa dentro de una
misma cápsula).
El problema de la tolerancia y la variación con la
temperatura se resuelve utilizando placas de un metal llamado tantalio, que
tiene una elevada resistencia al ataque de los ácidos. De este modo una ves
formado el electrolítico de tantalio es muy difícil que se deforme con el
tiempo. Su costo elevado hace que solo se lo utilice en circuitos especiales
donde se requiera una estrecha tolerancia.
Un capacitor de tantalio sigue siendo polarizado.
Por esas razones cuando se requiere un capacitor no polarizado y estable se
recurre a colocar dos electrolíticos de tantalio en oposición dentro de la
misma cápsula.
Capacitores de precisión
En muchos casos se deben emplear capacitores de
precisión (por ejemplo al 1%) y cuya capacidad prácticamente no varíe con la
temperatura. En esos casos si se trata de capacitores para constantes de tiempo
altas, del orden del uS, se recurre a capacitores enrollados con un dieléctrico
de plástico especial llamado Macrofol con carga de mica pulverizada (a la
izquierda en la figura). Pero cuando se trata de constantes de tiempo mas
pequeñas, se recurre a los auténticos capacitores de mica/plata que se
construyen con un tubo de mica metalizado en su interior y su exterior con
plata pura.
Los capacitores de Macrofol suelen partir de unos
pocos pF y llegar a valores del orden de los 1000 pF, en tanto que los
capacitores de mica/plata no suelen sobrepasar los 220 pF, ambos con bajas
tensiones de trabajo del orden de los 50V.
El rotulado de los Macrofol es simplemente por
impresión, en cambio los capacitores mica/plata muchas veces no están
rotulados, ya que suelen estar ocultos dentro de los inductores blindados y son
muy pequeños como para recibir una simple impresión.
Capacitores variables
Los capacitores variables se utilizan para lograr
la sintonía de un dispositivo. En este sector solo los nombramos porque su
tratamiento completo será analizado cuando realicemos nuestro trabajo práctico
sobre la fabricación de una radio elemental.
Capacitores SMD
En los equipos actuales, en la secciones de señal,
se utiliza el armado por componentes SMD (surface mounting device o componentes
de montaje superficial). De todos los capacitores nombrados hasta aquí los que
mas se prestan para el montaje superficial son los capacitores cerámicos. Los
capacitores electrolíticos tienen una versión enteramente SMD pero su costo es
casi prohibitivo. Por esa razón simplemente se coloca un electrolítico común
(con sus terminales cortados) en una base cerámica y se los utiliza como SMD.
Estos capacitores se identifican por su
dimensiones; por ejemplo los de tipo 0805 tienen una largo de 8 mm y un ancho
de 5mm. Puede ocurrir que no tengan ninguna marcación sobre su cuerpo porque el
fabricante los identifica por el tamaño y el color. Otros fabricantes los marcan
con un sistema codificado o de código reducido debido a su pequeño tamaño.
La codificación del valor consiste en una letra
seguida por un número, la letra corresponde a la mantisa o valor significativo
indicado en la tabla inferior y el número corresponde a la cantidad de ceros
que se deben agregar a la mantisa, obteniéndose el resultado en pF.
Letra
|
Mantisa
|
Letra
|
Mantisa
|
Letra
|
Mantisa
|
A
|
1.0
|
J
|
2.2
|
S
|
4.7
|
B
|
1.1
|
K
|
2.4
|
T
|
5.1
|
C
|
1.2
|
L
|
2.7
|
U
|
5.6
|
D
|
1.3
|
M
|
3.0
|
V
|
6.2
|
E
|
1.5
|
N
|
3.3
|
W
|
6.8
|
F
|
1.6
|
P
|
3.6
|
X
|
7.5
|
G
|
1.8
|
Q
|
3.9
|
Y
|
8.2
|
H
|
2.0
|
R
|
4.3
|
Z
|
9.1
|
Tabla para la lectura de capacitores cerámicos
Ejemplos:
- S4 indica 47nF ( 4.7 x 104 pF = 47.000 pF )
- A2
indica 100 pF ( 1.0 x 102 pF )
- A3
indica 1 nF ( 1.0 x 103 pF = 1000 pF )
Los capacitores cerámicos SMD requieren un trato
muy especial porque es suficiente con tocarlos con un soldador sobrecalentado
para alterar su valor o fisurarlos. Inclusive muchas veces son afectados por un
inapropiado proceso de soldadura (shock térmico) que los afecta de modo tal que
suelen fallar algunos meses después de su salida de la planta de producción.
