Introducción
Un capacitor es un componente eléctrico de dos terminales. Junto con las resistencias y los inductores son unos de los componentes pasivos fundamentales. Cuesta encontrar un circuito que no tenga un capacitor.
Lo que hace un capacitor tan especial es su habilidad para almacenar energía; son como una batería cargada. Los capacitores tienen todo tipo de aplicaciones críticas en los circuitos. Las aplicaciones más comunes son almacenamiento de energía, suprimir las alzas de voltaje, y filtrar las señales complejas.
Temas del tutorial
En este tutorial, vamos a examinar varios temas relacionados con los capacitores, incluyendo:
- Como se fabrica un capacitor
- Como funciona un capacitor
- Unidades de capacitancia
- Tipos de capacitores
- Como reconocer capacitores
- Como se combina la capacitancia en serie y en paralelo
- Aplicaciones comunes de capacitores
Lecturas Sugeridas
Algunos de los conceptos en este tutorial se basan en conocimiento electrónico previo. Antes de empezar este tutorial, considera leer los siguientes primero:
- ¿Qué es la electricidad?
- Prefijos Métricos
- ¿Qué es un Circuito?
- Voltaje, Corriente, Resistencia y la Ley de Ohm
- Circuitos Serie y Paralelo
- Como usar un Multimetro
Símbolos y Unidades
Símbolos de Circuitos
Existen dos formas comunes para dibujar los capacitores en los esquemáticos. Siempre tienen dos terminales, los cuales se conectan con el resto del circuito. El símbolo del capacitor consiste en dos líneas paralelas, que son planas o curvas. Las dos líneas deberían estar paralelas la una a la otra, pero no tocándose (esto es representativo de la forma en que se construyen los capacitores). Es difícil de describirlo, es más fácil mostrarlo:
El símbolo con la línea curva (el número (2) en la foto anterior) indica que el capacitor es polarizado, lo cual significa que probablemente sea un capacitor electrolítico. Veremos más sobre eso en la sección de “Tipos de Capacitores” en este tutorial.
Cada capacitor debería estar acompañado por un nombre– C1, C2, etc… – y un valor. El valor debería indicar la capacitancia de un capacitor, o en otras palabras, cuantos faradios tiene. Hablando de faradios….
Unidades de Capacitancia
No todos los capacitores son iguales. Cada capacitor es fabricado para tener una cantidad específica de capacitancia. La capacitancia de un capacitor indica cuanta carga puede almacenar, mas capacitancia significa más capacidad para almacenar carga. La unidad estándar de capacitancia es el faradio, que se abrevia F.
Resulta que un faradio es harta capacitancia, incluso 0.001F (1 mili faradio – 1mF) es un capacitor grande. Generalmente se ven los capacitores en el rango de los picofaradios (10-12) a los microfaradios (10-6).
| Nombre de Prefijo | Abreviación | Peso | Faradios Equivalentes |
| Picofaradio | pF | 10-12 | 0.000000000001 F |
| Nano faradio | nF | 10-9 | 0.000000001 F |
| Microfaradio | µF | 10-6 | 0.000001 F |
| Mili faradio | mF | 10-3 | 0.001 F |
| Kilo faradio | kF | 103 | 1000 F |
Cuando llega al rango de capacitancia de los faradios a los kilo-faradios, se empieza a hablar de capacitores especiales que se llaman super capacitores o ultra capacitores.
Teoría del Capacitor
Nota: Lo que sigue en esta página no es completamente crítico para que lo entienda un principiante en electrónica, y se complica bastante hacia el final. Recomendamos que lean la sección de “Como se Fabrica un Capacitor”, las demás se las puede saltar si le dan mucho dolor de cabeza.
Como se Fabrica un Capacitor
El símbolo esquemático del capacitor representa de una manera bastante fidedigna la forma en que es construido un capacitor. Un capacitor es fabricado de dos placas de metal y un material aislador llamado dieléctrico. Los placas metálicas son puestas muy cerca la una de la otra, en posición paralela, y el dieléctrico esta entremedio de las dos para asegurarse que no se toquen.
Construcción estándar de un capacitor: Dos placas metálicas separadas por un dieléctrico aislante.
El dieléctrico puede estar compuesto de todo tipo de material aislante, incluyendo: Papel, vidrio, goma, cerámico, plástico, o cualquier otro elemento que impida el flujo de la corriente.
Las placas están hechas de un material conductivo como: aluminio, tantalio, plata, u otros metales. Cada uno está conectado a un alambre terminal, el cual se conecta al resto del circuito.
La capacitancia de un capacitor (cuantos faradios tiene) depende de la manera en que se fabrica. Más capacitancia requiere un capacitor más grande. Las placas que tienen más área superficial superpuestas generan mayor capacitancia, mientras más distancia entre las placas menos capacitancia. Incluso, el material dieléctrico tiene un efecto en cuantos faradios tiene un capacitor. La capacitancia total de un capacitor puede ser calculada con la siguiente ecuación:
Donde εr es la permitividad relativa del dieléctrico (un valor constante determinado por el material dieléctrico). A es el área de las placas que se superponen, y d es la distancia entre las placas.
Cómo Funcionan los Capacitores
La corriente eléctrica es el flujo de la carga eléctrica, y esto es lo que los componentes utilizan para encenderse, o girar, o hacer cualquier otra acción. Cuando la corriente fluye por un capacitor, las cargas se “pegan” en las placas porque no pueden atravesar el material dieléctrico aislante. Los electrones (partículas cargadas negativamente) son pegados a una de las placas, y esta se carga negativamente. La gran masa de las cargas negativas de una de las placas empuja las cargas iguales de la otra placa, haciendo que esta otra placa sea de carga positiva.
Las cargas positivas y negativas en cada una de las placas se atraen, porque eso es lo que hacen cargas opuestas. Pero, con el material dieléctrico aun entre ellos, por más que se quieran atraer, las cargas van a estar pegadas a las placas por siempre(o hasta que tengan otro lugar para ir). Las cargas estacionarias de estas placas crean un campo eléctrico, el cual induce energía eléctrica potencial y voltaje. Cuando las cargas se agrupan en un capacitor de esta forma, el capacitor esta almacenando energía de igual manera que una batería almacena energía química.
Cargar y Descargar
Cuando las cargas positivas y negativas se juntan en las placas de los capacitores, el capacitor se carga. Un capacitor puede retener su campo eléctrico (o mantener su carga) debido a que las cargas positivas y negativas de cada placa se atraen, pero nunca se pueden unir.
En algún punto, las placas de los capacitores van a estar tan llenas de carga que no van a poder aceptar más carga. Hay suficientes cargas negativas en una placa que van a poder repeler cualquier otra que trate de unirse. Aquí es donde la capacitancia (faradios) de un capacitor entra en juego, esta es la que le dice la cantidad máxima de carga que el capacitor puede almacenar.
Si se crea un camino en el circuito que permita que las cargas encuentren otro camino para juntarse, se irán del capacitor y este se va a descargar.
Por ejemplo, en el circuito de abajo, una batería puede ser usada para inducir un potencial eléctrico a traves del capacitor. Esto va a causar que se acumulen cargas iguales pero opuestas en cada una de las placas, hasta que estén tan llenas que impidan que fluya más corriente. Un LED puesto en serie con el capacitor puede proveer un camino para la corriente, y la energía almacenada en el capacitor puede ser usada para iluminar el LED brevemente.
Calculando Carga, Corriente y Voltaje
La capacitancia de un capacitor (cuantos faradios tiene) nos dice cuanta carga puede almacenar. Cuanta carga el capacitor esta almacenando actualmente depende de la diferencia potencial de sus dos placas. Esta relación entre carga, capacitancia y voltaje se puede modelar con la siguiente ecuación:
La Carga (Q) almacenada en un capacitor es el producto de la capacitancia (C) y el voltaje (V) aplicada a ella.
La capacitancia de un capacitor debe ser siempre un valor constante y conocido. Entonces, podemos ajustar el voltaje para aumentar o disminuir la carga del capacitor. Mas voltaje significa más carga y menos voltaje significa menos carga.
Esta ecuación también nos da una buena forma de determinar el valor de un faradio. Un faradio (F) es la capacidad para almacenar una unidad de energía (coulomb) por cada un volt.
Calcular la Corriente
Podemos llevar la ecuación de carga/capacitancia/voltaje un paso más allá para averiguar como la capacitancia y el voltaje afectan la corriente, debido a que, la corriente es la razón en que fluye la carga.
La esencia de la relación al voltaje y la corriente de un capacitor es esta: La cantidad de corriente a través de un capacitor depende de tanto la capacitancia y la velocidad en que el voltaje aumenta o disminuye. Si el voltaje a través de un capacitor aumenta rápidamente, una gran corriente positiva será inducida del capacitor. Un aumento de voltaje más lento en un capacitor equivale a una corriente más pequeña. Si el voltaje de un capacitor es estable, no circulará corriente a través de él.
(Esta parte es compleja, y tiene cálculo. No es tan necesaria hasta que veas el análisis del dominio del tiempo, diseño de filtros, y otras cosas entretenidas, así que puedes ir directamente a la próxima sección si te incomoda ver esta ecuación.) La ecuación para calcular la corriente que atraviesa un capacitor es:
La parte de dv/dt de esa ecuación es una derivada (un forma bonita de decir tasa instantánea) del voltaje a través del tiempo, es lo mismo que decir “cuán rápido el voltaje sube o baja en este momento”. Lo más importante de esta ecuación es que si el voltaje es estable la derivada es cero, lo cual significa que la corriente también es cero. Es por esto que la corriente no puede fluir a través de un capacitor con un voltaje CC estable.
Tipos de Capacitores
Existen todo tipo de capacitores, cada uno con ventajas y desventajas que lo hacen mejores para ciertas aplicaciones y peores para otras.
Cuando decide sobre qué tipo de capacitor usar, hay ciertos factores que debe considerar:
- Tamaño – Tanto en término de volumen físico y capacitancia. Es común que los capacitores sean los componentes más grandes de un circuito. También pueden ser muy pequeños. Generalmente se da que mientras más capacitancia más grande debe ser el capacitor.
- Voltaje Máximo –Cada capacitor tiene un voltaje máximo que puede caer sobre él. Algunos capacitores pueden ser para 1.5V otros pueden ser para 100V. Exceder el voltaje máximo va a resultar en la destrucción del capacitor.
- Corrientes de Fuga – Los capacitores no son perfectos. Cada capacitor esta propenso a dejar fugar una pequeña cantidad de corriente a través del material dieléctrico de un terminal al otro. Esa pequeña perdida de corriente (generalmente nano amperes o menos) se llama corriente de fuga. La corriente de fuga hace que la energía almacenada en el capacitor se drene lentamente.
- Resistencia Equivalente en Serie (RES) – Los terminales del capacitor no son 100% conductivos, siempre tendrán una pequeña cantidad de resistencia (generalmente menos de 0.01Ω). Esta resistencia se convierte en un problema cuando fluye harta corriente a través del capacitor, lo que produce calor y perdida de potencia.
- Tolerancia – Los capacitores tampoco pueden ser hechos para tener un valor de capacitancia exacto. Cada capacitor va a ser clasificado por su valor nominal de capacitancia, pero dependiendo de su tipo, el valor exacto puede estar entre ±1% hasta ±20% del valor deseado.
Capacitores Cerámicos
Los capacitores más comunes y más fabricados son los capacitores cerámicos. El nombre viene del material con el cual está hecho el dieléctrico.
Los capacitores cerámicos son generalmente pequeños, tanto físicamente como en términos de capacitancia. Es difícil encontrar un capacitor cerámico más grande de 10µF. Un capacitor cerámico de montaje en superficie se encuentra generalmente en empaquetaduras pequeñas de 0402 (0.4mm x 0.2mm), 0603 (0.6mm x 0.3mm) o 0805. Los capacitores de agujeros pasantes se ven como pequeños bulbos (generalmente amarillos o rojos) con dos terminales que salen de él.
Comparado a los igualmente populares capacitores electrolíticos, los cerámicos son un capacitor más ideal (resistencias equivalentes en serie y corrientes de fugas más bajas), pero sus capacitancias pequeñas pueden ser limitantes. También suelen ser la opción más económica, Estos capacitores son buenos para el acoplamiento y desacoplamiento de altas frecuencias.
Electrolíticos de Aluminio y Tantalio
Los electrolíticos son buenos porque pueden tener mucha capacitancia en un volumen relativamente pequeño. Si necesita un capacitor en el rango de 1µF-1mF, lo más probable es que lo encuentre en un formato electrolítico. También son excepcionalmente buenos para aplicaciones de alto voltaje debido a sus altos valores de voltaje máximo.
Los capacitores electrolíticos de aluminio, los más populares de la familia de los electrolíticos, generalmente se ven como pequeñas latas con dos terminales que salen del fondo.
Desafortunadamente, los capacitores electrolíticos suelen ser polarizados. Tienen un pin positivo (el anodo) y un pin negativo (llamado cátodo). Cuando el voltaje es aplicado a un capacitor electrolítico el ánodo debe estar en un voltaje superior que el cátodo. El cátodo de un capacitor electrolítico es generalmente identificado con un signo “-“y una franja de color en la carcasa. La pata del ánodo puede ser un poco más larga que la del cátodo como otra manera de marcar la diferencia. Si se aplica el voltaje inversamente en un capacitor electrolítico, ellos van a fallar de forma espectacular (hacen un ruido y estallan), y permanente. Después de hacer estallar un capacitor electrolítico, este se comportara como un corto circuito.
Estos capacitores también son conocidos por sus fugas, permiten que pequeñas cantidades de corriente (en el orden de los nA) fluyan a través del material dieléctrico de un terminal hacia el otro. Esto hace que los capacitores electrolíticos sean menos ideales para almacenar la energía, lo cual es desafortunado, dada su alta capacidad y su alta tolerancia al voltaje.
Súper capacitores
Si estas buscando un capacitor hecho para almacenar energía, no sigas buscando, la respuesta es el súper capacitor. Estos capacitores son diseñados para tener muy altas capacitancias, en el rango de los faradios.
Si pueden almacenar mucha carga, pero no pueden trabajar con altos voltajes. Este súper capacitor de 10F solo puede funcionar a máximo 2.5V. Un poco más de eso lo va a destruir. Los Súper capacitores son generalmente puestos en serie para poder alcanzar un voltaje máximo más alto (mientras reduce su capacidad de capacitancia).
La aplicación principal de los súper capacitores es almacenar y liberar energía, como las baterías que son su mayor competencia. Mientras los súper capacitores no pueden almacenar la misma cantidad de energía que una batería del mismo tamaño, si la pueden liberar más rápido, y suelen tener una vida útil más larga.
Otros
Los capacitores cerámicos y electrolíticos cubren alrededor del 80% del tipo de capacitores que existen (y los súper capacitores solo un 2%). Otro capacitor común es el capacitor de película, el cual tiene muy bajas pérdidas parasitas (perdidas por resistencia equivalente en serie), lo cual los hace buenos cuando se trata de muy altas corrientes.
Hay muchos más capacitores que son pocos comunes. Los capacitores variables pueden producir un rango de capacitancias, las cuales pueden ser una buena alternativa de las resistencias variables en circuitos afinados. Los alambres torcidos o los PCB pueden crear capacitancia (a veces indeseadas) debido a que ambos consisten en dos conductores separados por un aislante. La botella de Leyden es un jarro de vidrio llenado y rodeado con alambres, son los predecesores de la familia de los capacitores. Finalmente existen los capacitores flux (una extraña combinación de inductor y capacitor) son críticos si alguna vez piensas en viajar en el tiempo.
Capacitores en Serie/Paralelo
Muy parecido a las resistencias, múltiples capacitores se pueden combinar en serie o paralelo para crear una capacitancia combinada equivalente. Los capacitores, sin embargo, se suman en una forma que es completamente opuesta a la de las resistencias.
Capacitores en Paralelo
Cuando los capacitores están en paralelo, la capacitancia total es simplemente la suma de todas las capacitancias. Esto es semejante a la forma en que se suman las resistencias en serie.
Entonces, por ejemplo, si tiene tres capacitores de 10µF, 1µF, y 0.1µF en paralelo, la capacitancia total sería de 11.1µF (10+1+0.1).
Capacitores en Serie
Parecido a las resistencias, que son un dolor de cabeza de sumar en paralelo, los capacitores se comportan raros cuando son puestos en serie. La capacitancia total de N capacitores en serie es la suma inversa de la suma de todas las capacitancias inversas.
Si solo tiene dos capacitores en serie, podría ocupar el método de “producto sobre suma” para calcular la capacitancia total:
Aún más, si tienes dos capacitores de igual valor en serie, la capacitancia total es la mitad de su valor. Por ejemplo, dos súper capacitores de 10F en serie producirán una capacitancia de 5F (también tiene el beneficio de doblar su valor de voltaje máximo de 2.5V a 5V).
Ejemplos de Aplicación
Hay muchas aplicaciones para este pequeño componente pasivo. Para darle una idea de sus varios usos, aquí hay algunos ejemplos:
Capacitores de Desacoplamiento (Bypass)
Mucho de los capacitores que se ven en los circuitos, especialmente los que están presentes en circuitos integrados, son de desacoplamiento. El trabajo de un capacitor de desacoplamiento es suprimir el ruido de alta frecuencia proveniente de las señales de las fuentes de poder. Eliminan pequeñas ondas de voltaje de la fuente de poder que podrían ser dañinas para los delicados circuitos integrados…
De una manera, los capacitores de desacoplamiento actúan como una pequeña fuente de poder local para los circuitos integrados (Similar a una UPS de un computador). Si se cae el voltaje de la fuente de poder de manera temporal (algo que es bastante común especialmente cuando el circuito que se está energizando está constantemente cambiando sus requerimientos de carga), un capacitor de desacoplamiento puede brevemente suministrar potencia al voltaje correcto. Es por este motivo que estos capacitores también se llaman capacitores bypass; pueden actuar como fuente de poder temporalmente, bypasseando la fuente de poder.
Los capacitores de desacoplamiento se conectan entre la fuente de poder (5V, 3.3V, etc.) y la tierra. No es raro usar dos o más capacitores de distintos valores e incluso de distintos tipos para bypassear la fuente de poder, debido a que algunos valores de capacitores funcionan mejor para filtrar ciertas frecuencias de ruido.
En este esquemático, tres capacitores de desacoplamiento son usados para reducir el ruido en la fuente de voltaje de un acelerómetro. Dos capacitores cerámicos de 0.1µF y uno electrolítico de tantalio de 10µF comparten la labor de desacoplamiento.
Aunque parezca que esto puede crear un corto circuito desde la fuente a tierra, solo las señales de alta frecuencia pueden correr desde el capacitor a tierra. La señal CC va a ir al circuito integrado, como es deseado. Otra razón por la que estos capacitores se llaman capacitores bypass es porque las frecuencias altas (en el rango de los kHz-MHz) bypassean el circuito integrado en vez de ir a tierra a través del capacitor.
Cuando se colocan los capacitores de desacoplamiento de manera física, siempre deberán ser colocados lo más cerca posible a un circuito integrado. Mientras más lejos estén, menos efectivo son.
Aquí está la disposición física del circuito del esquemático anterior. El pequeño circuito integrado es rodeado por dos capacitores de 0.1µF (Los capacitores cafés) y de un capacitor electrolítico de tantalio de 10µF (el capacitor altor, negro con gris y rectangular).
Para tener una buena práctica de ingeniería, siempre agregua por lo menos un condensador de desacoplamiento a cada circuito integrado. Generalmente los de 0.1µF son una buena alternativa, también puedes agregar capacitores de 1µF o 10µF. Son una adición barata, y ayudan a asegurar que el chip no estará sujeto a bajas o altas de voltajes muy grandes.
Filtros de Fuentes de Poder
Se pueden utilizar los diodos rectificadores para convertir el voltaje CA que sale del enchufe de la pared a voltaje CC que es requerido por la mayoría de los elementos electrónicos. Pero los diodos por si solos pueden convertir una señal CA en una señal CC limpia, ¡Necesitan la ayuda de los capacitores! Al agregar capacitores en paralelo a un puente rectificador, una señal rectificada como la siguiente:
Se puede convertir en una señal case CC como esta:
Los capacitores son componentes obstinados, siempre van a tratar de resistir cambios repentinos de voltaje. Los filtros de capacitores se cargan a medida que aumenta el voltaje rectificado. Cuando el voltaje rectificado que entra al capacitor comienza su declive rápido, el capacitor va a acceder a su banco de energía almacenada, y va a empezar a descargarse lentamente, suministrando energía a la carga. El capacitor no debería descargarse completamente antes que comience a incrementar la entrada de la señal rectificada, recargando el capacitor. Esta secuencia ocurre muchas veces por segundo, una y otra vez, hasta que la fuente de poder se desconecte.
Una circuito de fuente de poder CA a CC. El filtro de capacitor (C1) es crítico para suavizar la señal CA que se envía a la circuito de carga.
Si desarmas cualquier fuente de poder AC a DC, vas a encontrar al menos un capacitor grande. Abajo se muestra un adaptador de pared de 220Vac a 9Vcc. ¿Ves algunos capacitores ahí?
¡Pueden haber más capacitores de los que tu crees! Hay cuatro capacitores electrolíticos que parecen latas que tienen un rango de 47µF a 1000µF. El rectángulo grande y amarillo que esta adelante es un capacitor de película de polipropileno de 0.1µF. El capacitor que parece un disco azul y el capacitor pequeño de color verde que están en el centro son del tipo cerámico.
Almacenamiento y Suministro de Energía
Parece obvio que si un capacitor almacena la energía, una de sus aplicaciones debería ser suministrar energía a un circuito, al igual que una batería. El problema es que el capacitor tiene una densidad de energía más baja que las baterías; simplemente no pueden almacenar la misma cantidad de energía de lo que pueden las baterías químicas del mismo porte (¡Pero esa brecha está disminuyendo!).
Lo bueno de los capacitores es que generalmente tienen vidas útiles más largas que las baterías, lo que las hacen una mejor elección del punto de vista ambiental. También son capaces de entregar energía más rápido que una batería, lo cual lo hacen buenos para aplicaciones que requieren una corta pero alta explosión de poder. Un flash de una cámara puede obtener su poder de un capacitor (que a su vez se carga con una batería).
¿Batería o capacitor?
| Característica | Batería | Capacitor |
| Capacidad | ✓ | |
| Densidad de energía | ✓ | |
| Taza de Carga/descarga | ✓ | |
| Vida útil | ✓ |
Filtros de Señal
Los capacitores tienen una respuesta única a las señales de frecuencias variables. Pueden bloquear las bajas frecuencias o los componentes de señales CC mientras permiten atravesar a las frecuencias altas. Son como guardias de clubes exclusivos para las frecuencias altas solamente.
Puede ser útil filtrar las señales en muchas aplicaciones de procesamiento de señal. Los receptores de Radio pueden usar un capacitor (entre otros componentes) para desintonizar frecuencias indeseadas.
Otro ejemplo de capacitores como filtro de señal son los circuitos crossover dentro de los parlantes, que separan una pura señal de audio en varias señales. Un capacitor serie va a bloquear frecuencias bajas, dejando pasar la parte de alta frecuencia que resta de la señal al tweeter del parlante. En el circuito del subwoofer se utiliza un capacitor en paralelo, el cual deja pasar las frecuencias bajas y las altas van a tierra a través de él.
Un ejemplo muy simple de un circuito crossover de audio. El capacitor va a bloquear las frecuencias bajas, mientras que el inductor bloque las frecuencias altas. Cada uno puede ser usado para entregar la señal adecuada a los driver de audio sintonizados.
Reducción de Potencia
Cuando se trabaja con capacitores, es importante diseñar sus circuitos con capacitores que tienen una tolerancia más alta que cualquier alza potencial de voltaje en su sistema.
Aquí está el link de un excelente video del ingeniero de Sparkfun, Shawn, sobre lo que ocurre a los distintos capacitores cuando no logra reducir la potencia y excede su valor de voltaje máximo: