Por Jim Withers
En este artículo nos encargaremos de los capacitores. A los griegos se les atribuye haber reconocido por primera vez el fenómeno de la electricidad estática. Descubrieron que podía generarse una chispa frotando ámbar con un paño seco, de hecho la palabra “electricidad” es una adopción de elektrum, la palabra que los griegos utilizaban para referirse al ámbar.
Un trozo de ámbar cargado debe haber sido un objeto divertido para esconder debajo de una toga, pero la electricidad estática no era más que una curiosidad para esta civilización.
Descarga de una botella de Leyden, tomada de un texto científico de 1878. Esta imagen apareció originariamente en “Elementary Treatise on Natural Philosophy”, de Augustin Privat-Deschanel (1878), Parte 3: “Electricity and Magnetism”, D. Appleton and Co., Nueva York, traducido y editado por J. D. Everett, pág. 571, Fig. 384. Continuó siéndolo hasta que Pieter van Musschenbroek, un profesor holandés de matemática de la Universidad de Leiden en Alemania, inventó en 1745 un modo de almacenar una carga electrostática. Llamó a su dispositivo botella de Leyden. Este fue el primer capacitor práctico.
Era una simple botella de vidrio, revestida por dentro y por fuera con laminillas de metal. Los dos revestimientos de laminillas no se extendían hasta la parte superior de la botella, por lo cual estaban aislados entre sí de forma efectiva mediante los lados de vidrio. Una tapa cubría la botella y una varilla de metal se colocaba a través de la tapa dentro de la botella, que estaba llena de agua. Cuando la varilla tocaba una esfera de metal giratoria (utilizada para recoger carga estática), la carga era transferida a la botella y almacenada.
La botella de Van Musschenbroek funcionaba bien, pero a pesar de eso, ni su inventor ni nadie estaba completamente seguro de la razón. Él había llenado la botella con agua creyendo que la electricidad se almacenaba en esa sustancia.
De hecho, originariamente los capacitores eran llamados condensadores, porque él y otros creían que la carga se “condensaba” en el aire y en el agua.
Otros, como Ben Franklin, que burlaban a la muerte mientras capturaban rayos en la botella de van Musschenbroek; creían que la carga se almacenaba en el vidrio aislante.
Pero resultó que ninguna de las ideas era correcta.
Charles-Augustin de Coulomb, un físico francés, elaboró en 1785 una fórmula matemática que demostraba que la carga era resultado de un campo electrostático entre las placas del capacitor. Descubrió que la intensidad del campo obedecía las mismas reglas que las Leyes de Gravedad, lo que equivale a decir que la intensidad del campo disminuye de forma proporcional al cuadrado de la distancia. Esta ley se conoce como Ley de Coulomb y es la base de todos los cálculos sobre intensidad de campos eléctricos, como aquellos utilizados para predecir una cobertura de radio AM y FM.
Cuando una fuente de tensión se conecta a través de dos placas de un capacitor, los electrones fluyen fuera de la fuente hacia una de las placas, creando un campo electrostático. Los electrones en el campo ejercen una fuerza que se siente a través del material aislante, y repelen los electrones cargados de ese modo fuera de la placa opuesta nuevamente hacia la placa de alimentación. La placa que posee un exceso de electrones se carga negativamente, mientras que la placa opuesta se carga positivamente. El campo electrostático hace que la corriente fluya entre las placas del capacitor, aunque el material que se encuentra entre ellas (llamado dieléctrico) sea un aislante.
Esto entra en conflicto con la Ley de Ohm, que postula que no puede haber flujo de corriente en un capacitor verdadero porque la resistencia es infinita. Este conflicto se resuelve por las propiedades únicas del campo electrostático en el capacitor, en el cual los electrones de una placa no atraviesan el dieléctrico; por el contrario, ejercen una fuerza sobre los electrones de la placa opuesta, y es esa fuerza repelente la que hace que la corriente fluya mientras continúa el proceso de carga.
Cuando comienza el proceso, el flujo de corriente es el mayor porque ese es el momento en el que hay una mayor cantidad de electrones esperando para ser expulsados. Pero a medida que más y más electrones se juntan en una placa, más son expulsados de la otra, y la corriente merma.
En algún momento (determinado por una combinación del tamaño de las placas y el espesor del dieléctrico, como así también el voltaje aplicado) el capacitor se carga tanto como puede y ya no fluyen más electrones a través del campo. En esencia, el capacitor presenta una clase de resistencia variable; la resistencia se incrementa de forma constante mientras continúa el proceso de carga hasta que alcanza el máximo teórico, se completa la carga y se detiene el flujo de corriente.
Para diferenciar esta resistencia ambigua en el capacitor con la del resistor, la resistencia del capacitor se llama reactancia a pesar de que, como la resistencia misma, se mide en ohmios. La unidad de capacitancia se mide en faradios, una versión truncada del nombre de Michael Faraday, en reconocimiento a su trabajo en los campos de la electrostática y el electromagnetismo.
El ejemplo mencionado explica el comportamiento del capacitor cuando se le aplica un voltaje de CC, pero ¿qué sucede cuando está conectado a una fuente de voltaje CA? En este caso, todo cambia, dado que el voltaje de CA es una onda sinusoidal que circula de positivo a negativo y viceversa continuamente.
Nuestro capacitor comienza a cargarse a medida que los electrones fluyen hacia una placa y empujan a sus pares fuera de la otra placa. Sin embargo, luego de la primera mitad del ciclo, la polaridad del voltaje cambia, y la placa del capacitor que tenía aplicado voltaje negativo, ahora tendrá voltaje positivo y viceversa.
Por supuesto, el capacitor responde inmediatamente tratando de cargar en la dirección opuesta como lo venía haciendo una fracción de segundo antes, y la corriente fluye en dirección opuesta. Pero los ciclos de una onda sinusoidal no cesan; puede que el capacitor tenga tiempo de cargase por completo antes de que cambie la polaridad, pero puede que no.
Esa es una doble función. Si las placas son grandes (es decir, tienen un alto valor capacitivo), les tomará más tiempo cargarse por completo, quizás más de la mitad del ciclo de voltaje aplicado. En este caso, siempre habrá un flujo de corriente a lo largo del capacitor, ya que el proceso de carga nunca sigue el ritmo de la polaridad cambiante del voltaje aplicado. Del mismo modo, si la frecuencia es lo suficientemente alta, puede cambiar la polaridad tan rápidamente que incluso un capacitor muy pequeño no se cargaría por completo.
A partir de esto podemos deducir que la reactancia de un capacitor es inversamente proporcional al tamaño de este y a la frecuencia. El capacitor es un filtro de “paso alto”, es decir que cuanto mayor es la frecuencia de un voltaje aplicado, o la capacitancia del dispositivo, más sencillo será que la corriente fluya a través de éste. La formula exacta es:
En la que XC es la reactancia capacitiva en ohmios; π es 3,14; f es la frecuencia en Hz (ciclos por segundo) y C es la capacitancia en faradios.
Los diseñadores de circuitos pueden hacer cosas interesantes con un dispositivo como este.
Por un lado, los capacitores grandes son utilizados para “filtrar” voltaje de CC que se ha convertido a partir del voltaje de la línea CA de la compañía eléctrica. Los rectificadores que cambian la CA en CC dejan grandes cantidades de “ondulación” en la CC. La ondulación ocurre al doble de la frecuencia del voltaje de línea, por lo cual puede oírse un zumbido de 120 Hz. La solución es el capacitor de filtrado. Las ondulaciones de voltaje pueden pensarse como ondas en un estanque. A medida que la ondulación se convierte en una depresión en el “estanque” de la alimentación de CC, el capacitor de filtrado llena la depresión abandonando su carga. En el pico de la ondulación, el capacitor regresa a la carga completa, suavizando el pico mientras espera que se produzca la próxima depresión.
Todo esto está bien, pero esta capacidad puede dar lugar a una situación peligrosa cuando no se siguen las debidas medidas de precaución.
En una consola o un transmisor de estado sólido, la alimentación solo puede cargar el capacitor a 24 o quizás 50 voltios. Tal vez sea estremecedor, pero no letal. Sin embargo, los transmisores de difusión tipo tubo pueden funcionar a 10.000 o incluso 12.000 voltios. Los capacitores en esas plataformas se cargan hasta el potencial de voltaje completo (de hecho, hasta un poco más que eso), y 10.000 voltios pueden parar el corazón de hasta el ingeniero más robusto.
Además, los capacitores de alimentación de alta tensión son muy grandes porque están diseñados para suavizar las ondas en los circuitos que pueden extraer varios amperios de corriente. Cuanto más grande sea el capacitor, más tiempo le tomará a descargarse cuando el capacitor se haya apagado. Por este motivo, todos los transmisores tipo tubo están construidos con resistores de descarga a través de la alimentación de alto voltaje. Esos resistores extraen corriente todo el tiempo y no llevan a cabo ningún servicio útil más que permanecer conectados a través de la alimentación y descargar el voltaje desde los capacitores del filtro cuando se quita la alimentación (lo cual sin duda sirvió para salvar varias vidas en el transcurso de las décadas).
Aún así, los resistores pueden fallar, por lo cual la mayoría de los transmisores de alta potencia también están equipados con “barras de cortocircuito” que no son más que una barra de cobre cargada con resortes que deja pasar el alto voltaje directamente a tierra si la puerta se encuentra abierta (también asusta a los ingeniosos que cometen el error de abrir la puerta sin antes apagar el alto voltaje).
Los capacitores también se utilizan en ecualizadores analógicos pasivos y como redes de cruce de altavoz. Los capacitores de distinto valor están dispuestos a lo largo de una fuente de sonido, de modo tal que la salida de cada capacitor contenga una banda separada de frecuencias. Los resistores ajustables se utilizan para poder variar la amplitud de cada banda con el fin de lograr las características de audio deseadas, y los pases de banda de audio ajustados por separado vuelven a unirse en la salida.
De modo similar, un capacitor en un sistema de altavoces de doble cono que se coloca en serie con el cable que alimenta al altavoz de agudos, adaptado para bloquear todas las secuencias por debajo de un cierto punto, para que solo sonido de frecuencia más alta llegue al altavoz y el bajo se limite al woofer.
Por último, hace tiempo que los diseñadores aprendieron cómo hacer capacitores variables: unos que pudieran ajustarse fácilmente para tener mayor o menor capacitancia mediante el giro de una perilla. Cuando se combina con inductores, el resultado es el circuito resonante sintonizado, lo cual hace posible que exista la radio y todas las comunicaciones inalámbricas.
Desde los más comunes a los más sofisticados, cada pieza de equipamiento electrónico de la actualidad depende de capacitores. La electrónica no sería posible sin la presencia de ellos, lo cual prueba que Franklin tenía razón allá por 1752. Él realmente capturó rayos en una botella.
Jim Withers es propietario de KYRK(FM) en Corpus Christi, Texas, y un colaborador de Radio World. Tiene cuatro décadas de experiencia en ingeniería de transmisión en estaciones de radio y televisión de todo Estados Unidos.
