Ejercicios prácticos con Electrónica

Capítulo 3
Condensadores y bobinas inductoras
3.0 Introducción

En la electrónica digital, los condensadores son casi un seguro de vida porque ofrecen un almacenamiento de carga de forma temporal que mejora la fiabilidad de los circuitos. Por tanto, la mejor manera de usarlos consiste en seguir las recomendaciones que aparecen en las hojas de especificaciones de los CI, sin necesidad de cálculo alguno.

Sin embargo, en electrónica analógica, el uso de condensadores admite mucha más variación. Su capacidad de almacenar pequeñas cantidades de carga durante cortos periodos de tiempo se puede usar para establecer la frecuencia en osciladores (vea el Ejercicio 16.5). Se pueden utilizar para suavizar los rizos en una fuente de alimentación (vea el Ejercicio 7.2) o para acoplar dos circuitos de audio sin transferir el componente de CC de la señal (vea el Ejercicio 17.9).

De hecho, los condensadores se utilizarán a todo lo largo del libro de múltiples maneras, así que es importante entender bien su funcionamiento, cómo elegir los más adecuados y cómo usarlos.

Las bobinas inductoras no resultan tan comunes como los condensadores, pero se utilizan ampliamente en determinadas funciones, por ejemplo en fuentes de alimentación (vea el Capítulo 7).

3.1 Cómo almacenar temporalmente energía en nuestros circuitos
Problema

Necesitamos un componente electrónico capaz de almacenar energía durante breves periodos de tiempo, tal vez para crear pulsos, o bien para aislar otros componentes de picos de voltaje.

Solución

Usar un condensador.

Por construcción, los condensadores no son más que dos superficies conductoras separadas por una capa aislante (Figura 3-1).

Figura 3-1. Esquema de un condensador.

De hecho, la capa aislante situada entre las superficies conductoras puede no ser más que aire, si bien un condensador que utilice aire como aislante tendrá un valor nominal muy bajo. De hecho, el valor del condensador depende del área de las placas conductoras, de su proximidad y de la capacidad aislante de la capa intermedia. Así pues, cuanto mayor sea el área de las placas y menor sea la distancia entre ellas, mayor será la capacitancia del condensador, es decir, mayor cantidad de carga podrá guardar.

Los electrones individuales no fluyen a través de un condensador, pero los que están en un lado de este influyen sobre los que están en el otro. Si aplicamos un voltaje desde una fuente como una batería a un condensador, la placa conectada al polo positivo de aquella acumulará carga positiva y el campo eléctrico que esto genera creará una carga negativa de la misma magnitud en la placa opuesta.

Siguiendo con el símil del agua, podemos visualizar un condensador como una membrana elástica en una tubería (Figura 3-2) que impide que el agua la atraviese, pero que puede estirarse y permitir que el condensador se cargue. Si el condensador se estira demasiado, la membrana elástica se romperá. Esto es lo que pasa en un condensador cuando se excede el voltaje de ruptura.

Análisis

Cuando aplicamos un voltaje a través de un condensador, se cargará de forma casi instantánea. Sin embargo, si lo aplicamos a través de una resistencia, tardará un tiempo en cargarse por completo. La Figura 3-3 muestra cómo un condensador se puede cargar y descargar mediante el uso de los interruptores S1 y S2.

Figura 3-2. Analogía del agua y la tubería para un condensador.

Figura 3-3. Carga y descarga de un condensador.

Cuando cerramos el interruptor S1, C1 se carga a través de R1 hasta que C1 alcance el voltaje de la batería. Abrimos S1 de nuevo y el condensador recién cargado retendrá su carga. En un cierto momento, el condensador perderá su carga por el mecanismo de autodescarga.

Si ahora cerramos S2, C1 se descargará a través de R2 y LED1, que emitirá una luz muy brillante al principio, para ir apagándose a medida que se descarga C1.

Si queremos experimentar con el esquema de la Figura 3-3, podemos construir en una placa de pruebas el montaje del diagrama mostrado en la Figura 3-4. Para una introducción al uso de la placa de pruebas, vea el Ejercicio 20.1. Utilizaremos resistencias de 1 kΩ y un condensador de 100 μF.

Figura 3-4. Diagrama para experimentación con un condensador en la placa de pruebas.

Pulsamos el botón con la etiqueta CHARGE (CARGA) durante un segundo o dos para cargar el condensador y, luego, lo soltamos y pulsamos el botón DISCHARGE (DESCARGA). El LED debería brillar mucho durante un segundo más o menos, para luego oscurecerse progresivamente hasta apagarse al cabo de otro segundo.

Si pudiéramos monitorizar el voltaje a través del condensador durante su carga y posterior descarga, veríamos algo similar a lo mostrado en la Figura 3-5.

Figura 3-5. Carga y descarga de un condensador.

En la Figura 3-6 la forma de onda cuadrada es el voltaje aplicado al condensador a través de una resistencia de 1 kΩ. Durante los primeros 400 ms es de 9 V. Sin embargo, como podemos ver, el voltaje a través del condensador no se incrementa de forma lineal, sino que lo hace más rápido al principio y, luego, disminuye gradualmente en rapidez a medida que el voltaje del condensador se acerca al de la batería.

De forma parecida, cuando el condensador se descarga, el voltaje disminuye bruscamente al principio y luego gradualmente.

Así, si un condensador almacena energía eléctrica podríamos preguntarnos qué diferencia hay entre este y una batería recargable. Por un lado, ciertas aplicaciones que requieren un almacenamiento y descarga de energía muy rápidos utilizan un tipo especial de condensador de muy alta capacitancia, llamado súpercondensador, en lugar de una batería recargable. Las diferencias entre un condensador y una batería incluyen:

• Una batería recargable utiliza una reacción química para generar electricidad, mientras que un condensador almacena directamente la carga eléctrica.

• Una batería recargable se carga y se descarga en unas horas. Un condensador se puede cargar y descargar en una fracción de segundo.

• El voltaje a través de un condensador desciende bruscamente al principio de su descarga, mientras que el voltaje en una batería permanece relativamente constante hasta que se ha utilizado la mayor parte de la energía.

• Por unidad de tamaño, una batería puede almacenar hasta diez veces más energía que el mejor de los súpercondensadores.

Véase también

Para más información sobre el uso de la placa de pruebas, vea el Ejercicio 20.1.

Las curvas de voltaje de la Figura 3-5 se crearon usando un simulador de circuitos (Ejercicio 21.11). Podemos experimentar con esta simulación en línea con PartSim en la web http://bit.ly/2mrtrhs.

3.2 Cómo identificar los diferentes tipos de condensadores
Problema

No perder el norte a la hora de elegir el condensador más adecuado para nuestra aplicación entre una enorme cantidad de modelos disponibles.

Solución

A menos que nuestra aplicación necesite condensadores con características especiales, podemos aplicar la siguiente regla.

En la mayoría de los casos, para condensadores entre 1 pF y 1 nF usaremos un condensador de disco (Figura 3-6a). Para condensadores entre 1 nF y 1 μF usaremos un condensador cerámico multicapa (MLC, Figura 3-6b) y para condensadores por encima de 1 μF usaremos un condensador electrolítico de aluminio (Figura 3-6c). El condensador que se muestra más a la derecha es un condensador electrolítico de tantalio.

Figura 3-6. Tipos de condensadores: (a) Disco cerámico, (b) MLC, (c) Electrolítico de aluminio y (d) Tantalio.

Aunque los condensadores electrolíticos, de disco cerámico y MLC son los que se usan más habitualmente, existen otros tipos.

• Los condensadores de cristal y de mica ofrecen un rango de temperaturas muy amplio, pero son caros si los comparamos con otros tipos de condensadores.

• El condensador electrolítico de tantalio es un tipo de condensador polarizado cuyos valores se encuentran entre los rangos del tipo MLC y los de los condensadores electrolíticos. Son pequeños, pero relativamente caros y están disponibles con valores de hasta unas cuantas decenas de μF. Tienen una desventaja, y es que, cuando fallan, lo hacen de forma que sus terminales se conectan entre sí, lo que suele tener consecuencias explosivas. Las mejoras introducidas en los condensadores MLC han permitido que alcancen valores superiores de capacitancia, hasta cientos de μF, lo que ha empujado a los de tantalio progresivamente al desuso.

Los condensadores son menos fiables que las resistencias. Si superamos el voltaje máximo de servicio, lo más probable es que dañemos el aislante. Los condensadores electrolíticos usan un electrolito contenido en un recipiente de aluminio que genera una capa muy fina de óxido como aislante. Este tipo de condensador es muy propenso a fallar debido al exceso de tensión, de temperatura o, simplemente, al paso del tiempo. Si un equipo de alta fidelidad antiguo falla, suele ser debido a los grandes condensadores electrolíticos de su fuente de alimentación. Además, si un condensador electrolítico falla, puede esparcir el electrolito de una forma bastante desagradable.

Voltaje o tensión nominal

Además de la capacitancia real del condensador, hay otros factores que debemos considerar a la hora de seleccionar un dispositivo. Uno de esos factores, y que presenta una importancia crítica, es la tensión nominal. A menos que estemos creando algo que vaya a utilizar altos voltajes, no suele ser un problema a considerar en condensadores de valores bajos, puesto que estos suelen tolerar voltajes nominales de hasta 50 V. Sin embargo, tan pronto entramos en el rango de los electrolitos, necesitaremos lograr un equilibrio entre el tamaño del condensador y el voltaje. Los condensadores electrolíticos se presentan normalmente con valores de tensión nominal de 6,3 V, 10 V, 25 V, 30 V, 40 V, 50 V, 63 V, 100 V, 160 V, 200 V, 250 V, 400 V, y 450 V. No es usual encontrar condensadores electrolíticos con voltajes superiores a los 500 V.

Temperatura nominal

Los condensadores cerámicos y MLC suelen estar homologados para un rango amplio de temperaturas, mientras que los de electrolito y aluminio son mucho menos tolerantes a las altas temperaturas y suelen estar homologados para un rango de 80-105 °C.

ESR (Equivalent Series Resistence, resistencia serie equivalente)

La temperatura nominal cobra importancia cuando los condensadores se cargan y descargan rápidamente, puesto que un condensador posee siempre una resistencia interna, que se conoce como resistencia serie equivalente o ESR, que ocasiona calentamiento durante la carga y descarga.

Los condensadores MLC de pequeño tamaño suelen tener una ESR muy baja, poco más que la que presentan sus propias patillas. Esto les permite cargarse y descargarse extremadamente rápido. Un condensador electrolítico con un valor muy alto podría tener una ESR de varios cientos de mΩ. Esto limita la velocidad a la que el condensador se puede cargar y descargar, y produce calentamiento.

Véase también

El uso de condensadores electrolíticos para el aplanamiento del rizado de voltaje de una fuente de alimentación se ilustra en el Ejercicio 7.4.

3.3 Cómo leer el encapsulado de una resistencia
Problema

Tenemos un condensador y deseamos identificar su valor.

Solución

Los condensadores SMD pequeños suelen presentarse sin marcar, así que lo mejor será que los etiquetemos con su valor en cuanto los compremos.

Los condensadores electrolíticos suelen tener sus valores nominales de capacitancia y voltaje impresos en el encapsulado. Los condensadores electrolíticos polarizados para montaje en agujero pasante suelen presentarse con el conector positivo más largo que el negativo, así como con este último marcado con un signo menos (-) o con un símbolo en forma de diamante.

La mayoría del resto de condensadores emplea un sistema de numeración similar al de las resistencias SMD. Su valor se suele representar mediante tres dígitos y una letra. Los dos primeros dígitos son su valor base y el tercero indica el número de ceros que deben añadirse. El valor base indica la capacitancia en pF (picofaradios; vea el Apéndice D).

Por ejemplo, un condensador de 100 pF presentaría los dígitos "101" (un "1" y un "0" seguidos por otro "0"). Un condensador de 100 nF presentaría los dígitos "104" (un "1" y un "0" seguidos por cuatro "0"), es decir: 100 nF = 100 000 pF.

La letra que sigue a los dígitos indica la tolerancia: "J", "K" y "M" para ±5 %, ±10 % y ±20 %, respectivamente.

Análisis

El número de valores estándar para los condensadores es mucho más pequeño que para las resistencias. Generalmente, los valores disponibles son 10, 15, 22, 33, 47 y 68 seguidos por el número de ceros que sea necesario.

Véase también

Para leer los códigos de color de las resistencias, vea el Ejercicio 2.1.

3.4 Conexión de condensadores en paralelo
Problema

Deseamos combinar varios condensadores para incrementar la capacitancia global.

Solución

La Figura 3-7 muestra dos condensadores en paralelo. Esta disposición duplica efectivamente la superficie de las placas conductivas y, por tanto, podemos considerar que ofrece una capacitancia total igual a la suma de las capacitancias de los dos condensadores.

Figura 3-7. Conexión de condensadores en paralelo.

Análisis

Resulta muy habitual montar un cierto número de condensadores en paralelo para incrementar la capacitancia global. Se emplea con particular asiduidad para el suavizado de una fuente de alimentación de gran potencia basada en transformador, por ejemplo un amplificador de audio, donde resulta muy importante eliminar todo el rizo que sea posible (vea el Ejercicio 7.2).

En tales sistemas es habitual utilizar en paralelo varios condensadores de distintos tipos y valores para minimizar los efectos de la ESR (vea el Ejercicio 3.2).

Véase también

Para los condensadores en serie, vea el Ejercicio 3.5.

3.5 Conexión de condensadores en serie
Problema

Deseamos averiguar por qué alguien ha combinado los condensadores de esta forma inusual.

Solución

Cuando conectamos dos o más condensadores en serie, el valor total de la capacitancia se calcula de acuerdo con la fórmula siguiente, que es muy similar a la de las resistencias en paralelo, lo que resulta muy interesante:

Análisis

Es poco habitual conectar condensadores en serie. Ocasionalmente, se realiza como parte de un circuito más complejo, como el del Ejercicio 7.12.

Véase también

Para los condensadores en paralelo, vea el Ejercicio 3.4.

3.6 Cómo almacenar cantidades enormes de energía
Problema

Nos encontramos con que los condensadores habituales no nos alcanzan.

Solución

Los súpercondensadores son condensadores de bajo voltaje y extremadamente alta capacitancia. Se utilizan principalmente como dispositivos de almacenamiento de energía en situaciones donde se emplearían baterías recargables.

Presentan valores de hasta varios centenares de faradios (F). Observe que la capacitancia máxima de los condensadores electrolíticos de aluminio ronda los 0,22 F.

Análisis

Condensadores con valores comparativamente bajos (unos pocos faradios) se utilizan a veces como alternativa a las baterías recargables, o a las baterías de litio de larga duración, para alimentar CI en estado de espera para conservar el contenido de la memoria RAM estática, que de otro modo se perdería. También sirven para alimentar chips de relojes de tiempo real, o RTC (Real-Time Clock), de manera que un dispositivo que los utilice conserve registro del tiempo aun si es apagado durante un tiempo.

Existen también súpercondensadores con capacitancia extremadamente alta que se ofrecen como alternativa a las baterías recargables para almacenamientos de mayor capacidad.

Es posible adquirir condensadores de 500 F o más por unos pocos euros. El voltaje máximo para un súpercondensador es de 2,7 V. Si deseamos una mayor capacitancia, debemos utilizar condensadores en serie junto con una circuitería de protección especial que garantice que el límite de 2,7 V no se va a superar durante la carga del banco de condensadores.

Los súpercondensadores tienen normalmente la misma apariencia que los condensadores electrolíticos. En la actualidad, su capacidad máxima de almacenamiento está aún lejos de la que ofrecen las baterías recargables. Asimismo, como al fin y al cabo son condensadores, el voltaje que almacenan disminuye mucho más rápido que el de una batería durante su uso.

Véase también

Vea el Ejercicio 3.7 para calcular la energía almacenada en condensadores y súpercondensadores.

3.7 Cómo calcular la energía almacenada en un condensador
Problema

Hemos cargado un condensador hasta un determinado voltaje y deseamos conocer la cantidad de energía que almacena en su interior.

Solución

La energía almacenada en un condensador, en julios (J), se calcula del siguiente modo:

Análisis

Si tenemos un condensador electrolítico de tamaño mediano y 470 μF a 35 V, la energía almacenada sería:

que no es mucha. Como el almacenamiento de energía es proporcional al cuadrado del voltaje, los resultados para un condensador del mismo valor, pero a 200 V, son mucho más llamativos:

Para un súpercondensador de 500 F a 2,7 V, los resultados son aún más impresionantes:

En comparación, una sola batería AA de 1,5 V y 2000 mAH almacena alrededor de:

2 A × 3600 s × 1, 5 V = 10, 8 kJ

Véase también

Para información sobre las baterías recargables, vea el Ejercicio 8.3.

3.8 Cómo modificar y moderar el flujo de corriente
Problema

Necesitamos un componente que pueda filtrar partes de una señal o suavizar las fluctuaciones de la misma.

Solución

Una bobina inductora (también llamadas inductores, reactores o simplemente bobinas), en su forma más simple, no es más que eso: un devanado de hilo de cobre arrollado en forma de bobina. En CC, se comporta como lo haría cualquier cable de una longitud determinada y presenta la resistencia correspondiente. Sin embargo, cuando la CA fluye, empiezan a suceder fenómenos interesantes.

Un cambio de sentido en la corriente en una bobina inductora origina un cambio de voltaje en el sentido contrario. Este efecto será más intenso cuanto mayor sea la frecuencia de la CA que fluya a través del inductor. El resultado neto de todo esto es que, a mayor frecuencia de CA, mayor resistencia opone la bobina inductora al paso de la corriente. Para que este fenómeno no se confunda con la resistencia ordinaria, se denomina reactancia, si bien se sigue midiendo en ohmios.

La reactancia X de un inductor se puede calcular mediante la fórmula:

X = 2π f L

Donde f es la frecuencia de la CA en hercios (Hz), y L, la inductancia de la bobina, que se mide en henrios (H). Este efecto resistivo no produce calor como en una resistencia, sino que devuelve energía al circuito.

La inductancia de una bobina inductora dependerá del número de vueltas del devanado de cobre, así como del material alrededor del cual esté arrollado. Así pues, las bobinas de valores bajos podrían no ser más que un par de vueltas de hilo sin núcleo, también conocidas como de núcleo de aire, es decir, que no están enrolladas a nada. Las bobinas de valores más altos suelen utilizar un núcleo de hierro, ferrita u otro material ferroso. La ferrita es un material cerámico con propiedades magnéticas.

La capacidad de transportar corriente de una bobina inductora suele depender del calibre del hilo de cobre utilizado en su devanado.