Condensadores 101: Cuales son sus funciones y tipos

Los condensadores son componentes indispensables en el diseño de PCBs (placas de circuito impreso), ya que aportan funciones esenciales como el almacenamiento de energía, el filtrado de ruido y la regulación de tensión. Tanto si usted diseña un circuito sencillo como una placa multicapa avanzada, es crucial comprender los distintos tipos de condensadores y sus aplicaciones. La estructura básica de un condensador consiste en dos placas metálicas separadas por un dieléctrico. Existen condensadores de tipo fijo o variable.

La Capacitancia es un concepto fundamental en ingeniería eléctricaque representa la capacidad de un sistema para almacenar carga eléctrica. La habilidad del condensador para retener carga se denomina capacitancia y se mide en faradios. Al igual que las resistencias, los condensadores pueden conectarse en serie o en paralelo, variando así la capacitancia equivalente. Se han desarrollado varios tipos de condensadores para su uso en circuitos electrónicos. En este artículo, exploraremos en detalle los principios de funcionamiento de los condensadores, sus funciones, métodos de cálculo y los diversos tipos empleados en circuitos electrónicos. Para saber más sobre electrónica y diseño de PCB, consulte nuestra última guía sobre el proceso de fabricación de PCB.

¿Qué son los condensadores y cuál es su principio de funcionamiento?

Los condensadores son componentes eléctricos pasivos que almacenan y liberan energía eléctrica en forma de campo eléctrico. Están formados por dos placas conductoras separadas por un material aislante denominado dieléctrico. Cuando se aplica una tensión, las placas almacenan carga eléctrica, siendo estas cargas de signo opuesto. Los condensadores desempeñan múltiples funciones en los circuitos electrónicos, como el filtrado, el acoplamiento, el desacoplo y el almacenamiento temporal de energía. Los terminales del condensador se conectan externamente a través de las placas metálicas.

El principio de funcionamiento básico de un condensador se basa en la separación y almacenamiento de cargas eléctricas. Al conectarse a una fuente de alimentación:

• Los electrones fluyen desde el terminal negativo hacia una de las placas (la placa negativa). Al mismo tiempo, un número igual de electrones es repelido desde la otra placa (la placa positiva) hacia el terminal positivo.

• Esta separación de carga genera un campo eléctrico dentro del material dieléctrico. El condensador continúa cargándose hasta que la diferencia de potencial entre las placas iguala la tensión aplicada.

• Una vez cargado completamente, el condensador puede funcionar como una batería temporal, almacenando energía eléctrica hasta que el circuito la requiera.

Cálculo de la capacitancia:

La capacitancia de una estructura se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

C = εA / D

Donde:

- C es la capacitancia, medida en faradios (F)

- ε es la permitividad (constante dieléctrica) del material entre las placas

- A es el área de superposición entre las dos placas

- D es la distancia entre las placas

Además, la capacitancia también puede definirse como la relación entre la carga eléctrica acumulada y la tensión aplicada al condensador:

C = Q / V

Donde:

Q es la carga acumulada en las placas

V es la tensión aplicada al condensador

Factores que influyen en la capacitancia:

La capacitancia de un condensador puede modificarse en función de los siguientes parámetros:

• Área de las placas: Al mayor área de las placas conductoras, mayor será la capacitancia.
• Superposición de las placas (A): A mayor área de solapamiento entre placas paralelas, mayor será el valor de capacitancia.
• Distancia entre las placas (D): Cuanto menor es la distancia entre las placas, mayor es la capacitancia.
• Naturaleza del dieléctrico (ε): El uso de un material dieléctrico con una alta permitividad aumenta significativamente la capacitancia.

Clasificación de los condensadores según su polaridad:

Condensadores polarizados: Son aquellos condensadores que tienen dos terminales diferenciados: uno positivo y otro negativo. Ejemplos comunes son los condensadores electrolíticos de aluminio y los de tántalo. Estos componentes presentan una polaridad claramente definida, por lo que es fundamental conectar el terminal positivo al polo positivo de la fuente de alimentación y el terminal negativo al polo negativo. Una conexión incorrecta puede causar fallos de funcionamiento e incluso daños al componente.

Condensadores no polarizados: Este tipo de condensadores puede conectarse en cualquier dirección, ya que no tienen polaridad definida. Son frecuentemente utilizados en aplicaciones donde la dirección de la tensión varía constantemente.

Tipos de condensadores en electrónica:

Uso de los condensadores en un circuito:

• Desacoplo y bypass: Funcionan como pequeños depósitos de carga para evitar que el ruido se propague por el circuito. a través del circuito.
• Filtrado: Suavizan las fluctuaciones de voltaje, especialmente en las fuentes de alimentación, eliminando el rizado procedente de la corriente alterna (AC ripple).
• Circuitos temporizadores: En combinación con resistencias, se emplean para generar intervalos de tiempo definidos.
• Almacenamiento de energía: Almacenan energía eléctrica de forma temporal y la liberan cuando es necesario, particularmente en aplicaciones de respaldo.
• Sintonización: Los condensadores variables se emplean en circuitos de radiofrecuencia para seleccionar frecuencias específicas.

Consideraciones de alta frecuencia para un condensador en PCB:

Mientras que el comportamiento de un condensador es predecible a bajas frecuencias, se vuelve menos ideal a frecuencias más altas. Para mantener una operación estable y evitar problemas como la Inductancia Serie Equivalente (ESL) y la frecuencia de autorresonancia, conviene tener en cuenta los siguientes factores clave al trabajar con circuitos de alta frecuencia.

• En lugar de condensadores electrolíticos, utilice condensadores cerámicos o de película  con resistencia en serie equivalente (ESR).
• Los encapsulados pequeños presentan menor inductancia en serie equivalente (ESL); los condensadores SMD (tipo chip) son más adecuados que los de tipo axial o radial con terminales.
• Reduzca al mínimo la longitud de las pistas y optimice los caminos de retorno hacia el plano de tierra.
• Evite áreas de bucle grandes para minimizar la inductancia parasitaria.
• Simule el circuito utilizando modelos de parámetros S (S-parameters).
• Durante la fase de prototipado, verifique la presencia de ringing y otros problemas dependientes de la frecuencia.
• La distancia entre los pads del condensador en la PCB afecta la frecuencia de resonancia.
• Si el condensador opera cerca de su frecuencia de autorresonancia, es necesario caracterizar su impedancia.

¿Qué es la capacitancia parásita y cómo reducirla?

La capacitancia parásita en una PCB se genera por la presencia de señales de alta frecuencia y por el trazado de distintas pistas adyacentes dentro del circuito impreso. Esta capacitancia puede inducir interferencias electromagnéticas (EMI), que se propagan hacia las pistas vecinas. La capacitancia parásita puede existir entre pistas adyacentes de la PCB, terminales de componentes y uniones de semiconductores.

Para minimizar esta capacitancia:

• Utilice un anillo de guarda (guard ring) para reducir el efecto capacitivo entre dos pistas.
• Aumente la distancia entre las pistas adyacentes.
• Emplee materiales dieléctricos de baja permitividad, ya que generan menor capacitancia no deseada.
• Evite el enrutamiento de pistas en paralelo, ya que esto genera una mayor área de acoplamiento entre ellas.

Comprender y minimizar la capacitancia parásita es fundamental en el diseño y el trazado de circuitos de alta frecuencia.

Conclusión:

Los condensadores son componentes fundamentales en el diseño de PCBs, ya que desempeñan diversas funciones esenciales para la estabilidad del circuito, la reducción de ruido y la gestión de energía. Comprender los distintos tipos de condensadores, sus propiedades y las mejores prácticas para su colocación puede marcar una diferencia significativa en el rendimiento y la fiabilidad de sus circuitos. En resumen:

• Los condensadores en PCB almacenan energía entre placas conductoras separadas por un dieléctrico.
• Diferentes tipos de condensadores se adaptan a diversas aplicaciones y condiciones.
• Una correcta especificación de tensión nominal, capacitancia, ESR y otros factores previene fallos.
• La adecuada selección, colocación y manipulación garantiza un rendimiento estable del circuito impreso.
• Los condensadores de bypass y desacoplo requieren un diseño cuidadoso para garantizar una entrega limpia de energía.

Ya sea que trabaje en diseños digitales de alta velocidad, circuitos de audio o electrónica de potencia, la correcta selección y ubicación de los condensadores es clave para alcanzar sus objetivos de diseño. Dominar el uso de los condensadores le permitirá afrontar proyectos complejos de PCB y evitar errores comunes.