Capacitores: tipos y selección

01 · Punto de partida

El temporizador que cambiaba solo

Con el taller del Tema 9 cerraste la familia de los resistores. La que empieza ahora se recorre con las mismas cuatro estaciones, pero trae una dificultad nueva: en un resistor, el valor impreso y el valor real difieren en un pequeño porcentaje. En un capacitor, pueden diferir en la mitad.

El error no estuvo en el cálculo, sino en la elección. Para guardar energía en una fuente, ese electrolítico era perfecto. Para medir tiempo, era el tipo equivocado: existe otro capacitor, de otro material, que habría dado siempre el mismo resultado.

Para un programador, es elegir mal una estructura de datos. Una tabla hash y un árbol ordenado guardan lo mismo y ofrecen las mismas operaciones, pero uno garantiza un orden y el otro no. Si tu código depende de ese orden, la diferencia no es un detalle.

Al terminar este tema vas a poder responder:

• ¿Qué es un capacitor por dentro y de qué depende su valor?
• ¿Para qué trabajos se usa?
• ¿Cómo se pasa de picofaradios a nanofaradios y a microfaradios sin equivocarse?
• ¿En qué se diferencian un cerámico, un film, un electrolítico y un tantalio?
• ¿Por qué un capacitor puede valer mucho menos de lo que dice?
• ¿Cómo elijo el tipo y la tensión para cada trabajo?

02 · Identificar

Por dentro: dos placas y un aislante

Un capacitor son dos superficies conductoras, llamadas placas, enfrentadas y separadas por un material aislante, llamado dieléctrico. No hay ningún camino conductor entre un terminal y el otro: por un capacitor la corriente continua no pasa.

Cuando se le aplica una tensión, las cargas se acumulan sobre las placas, positivas de un lado y negativas del otro, atraídas entre sí a través del aislante. Si se retira la fuente, esas cargas quedan ahí: el capacitor quedó cargado, con energía guardada, y la entrega cuando encuentra un camino por donde descargarse.

Capacidad

Cuánta carga guarda por cada volt aplicado. Se mide en faradios (F). Un capacitor de más capacidad guarda más carga a la misma tensión, igual que un tanque más ancho guarda más agua a la misma altura.

De qué depende

De tres cosas: el área de las placas (más área, más capacidad), la separación entre ellas (más cerca, más capacidad) y el material del dieléctrico, que puede multiplicar la capacidad por miles.

Esas tres variables explican toda la familia. Para lograr mucha capacidad en poco lugar, los fabricantes enrollan placas larguísimas, las acercan hasta separaciones de milésimas de milímetro y usan dieléctricos muy «potentes». Cada uno de esos trucos tiene un costo, y ese costo es lo que distingue un tipo de otro: el material que más capacidad da es también el menos estable, y el aislante más fino es el que menos tensión soporta.

03 · Características

Los cuatro trabajos de un capacitor

Todo lo que hace un capacitor sale de una sola propiedad: se opone a los cambios bruscos de tensión. Para que su tensión cambie tiene que entrar o salir carga, y eso lleva tiempo. Según cómo se lo conecte, esa propiedad se aprovecha de cuatro maneras.

Mirá la tercera columna: los dos primeros trabajos toleran que el valor sea aproximado, y el tercero no. Es la distinción más importante del tema, la misma que en el Tema 6 separaba el resistor de un LED del de un divisor de medición. La escena del principio fue usar una pieza del primer grupo en un trabajo del tercero.

Los cuatro trabajos se arman y se miden en el taller del Tema 12.

04 · Identificar

Unidades: pF, nF y µF

Como el faradio es tan grande, los capacitores reales usan tres submúltiplos, separados entre sí por un factor de mil. Pasar de uno a otro es la cuenta que más errores produce en toda la familia, así que conviene tenerla clara antes de seguir.

El mismo capacitor se puede nombrar de tres formas, y en esquemas, tiendas y hojas de datos vas a encontrar las tres mezcladas:

La regla para convertir

De una unidad a la siguiente más chica, se multiplica por mil (la coma se corre tres lugares a la derecha). De una a la siguiente más grande, se divide por mil. De µF a pF son dos saltos: un millón.

El código de tres cifras

Lo viste en los Temas 2 y 7: dos cifras y la cantidad de ceros, con el resultado siempre en picofaradios. «104» es 10 y cuatro ceros: 100 000 pF, o sea 100 nF. «473» es 47 000 pF: 47 nF.

Otras formas de escribirlo

«uF» o «MFD» en lugar de µF, porque la letra griega no siempre está disponible. Y la notación con la unidad en el lugar de la coma: «4n7» es 4,7 nF y «2µ2» es 2,2 µF.

05 · Identificar

Los tipos, cara a cara

Los capacitores se nombran por su dieléctrico, porque es lo que decide cómo se comportan. En un taller de aficionado aparecen seis tipos. Los tres primeros son cerámicos, y a pesar de parecerse por fuera son piezas muy distintas.

Cómo reconocerlos

Cerámicos

Con patas, son una lenteja o una gota chica, de color ocre, naranja o azul, con un código de tres cifras. En montaje superficial son rectángulos marrón claro sin ninguna marca. Por fuera no se distingue un C0G de un X7R o de un Y5V: hay que saber qué se compró.

Film

Una cajita rectangular o una pastilla gruesa, de color rojo, verde, azul o amarillo, bastante más grande que un cerámico del mismo valor. Suele traer el valor y la tensión escritos.

Electrolíticos de aluminio

Un cilindro metálico con funda plástica, con la capacidad, la tensión y la temperatura impresas, y una franja lateral con signos «−».

Tantalio

Con patas, una gota amarilla o naranja con un signo «+». En montaje superficial, un bloque amarillo o negro con una franja del lado positivo.

Por qué hay tres cerámicos

El dieléctrico de un C0G es poco «potente»: da poca capacidad por volumen, pero su valor no se mueve. El de un X7R da cien veces más capacidad en el mismo tamaño, a cambio de variar con la tensión y la temperatura. El de un Y5V da todavía más, y varía muchísimo.

El nombre no es un capricho: es un código que resume el comportamiento con la temperatura.

Un Y5V puede perder cuatro quintos de su capacidad solo por la temperatura, y eso está dentro de su especificación. Es el caso extremo de lo que viste en el Tema 4: una pieza que solo garantiza «por lo menos algo».

06 · Identificar

Polaridad: el que tiene lado

Los cerámicos y los de film son simétricos: se conectan en cualquier sentido. Los electrolíticos de aluminio y los de tantalio tienen un terminal positivo y uno negativo, y hay que respetarlos siempre.

La razón está en cómo logran tanta capacidad. Su dieléctrico no es una lámina que se coloca: es una capa de óxido finísima que se forma químicamente sobre una de las placas, y que solo aísla si la tensión tiene el sentido correcto. Con la tensión invertida, esa capa se destruye.

¿Y si la tensión cambia de signo?

Un capacitor polarizado no sirve: hace falta uno de film o cerámico. Es lo habitual al acoplar señales de audio o al trabajar con alterna.

La ranura de la tapa

Los electrolíticos tienen marcada una cruz o una «K» en la parte superior. Es una zona debilitada a propósito, para que si la pieza falla se abra por ahí de forma controlada. Un electrolítico con la tapa hinchada ya falló o está por hacerlo.

07 · Características

El valor efectivo: tres ladrones de capacidad

En el Tema 4 viste que el valor real de una pieza se aparta del nominal por la fabricación, la temperatura y el tiempo. En los capacitores esas tres causas están, y son más grandes. Y hay una cuarta que no existe en los resistores.

1. La tensión aplicada

Los cerámicos X7R, X5R e Y5V pierden capacidad cuando tienen tensión continua aplicada. No es un defecto ni un desgaste: es una propiedad del material, que se revierte al quitar la tensión. Cuanto más cerca se trabaja de la tensión nominal, mayor es la pérdida.

Un cerámico X7R de 10 µF y 16 V, usado en una línea de 12 V, puede estar entregando 5 o 6 µF. Nada en la pieza lo indica: hay que buscar la curva en la hoja de datos, que suele titularse DC bias characteristics.

2. La temperatura

Es lo que resume el código del dieléctrico: casi nada en C0G, hasta ±15 % en X7R y hasta −82 % en Y5V. Los electrolíticos también cambian: pierden capacidad con el frío y la ganan levemente con el calor.

3. El tiempo

Los electrolíticos se secan

Tienen un líquido adentro que se evapora lentamente. Con los años pierden capacidad y, lo que es peor, aumentan su resistencia interna. El calor lo acelera con la regla de los 10 °C del Tema 4. Es la causa más frecuente de falla en equipos viejos.

Los cerámicos X7R e Y5V envejecen

Pierden unos puntos de capacidad a lo largo de los primeros meses y años. Es poco, pero se suma a todo lo anterior.

Los C0G y los film no cambian

Por eso son los que se usan cuando el valor importa.

La suma

Las tres pérdidas se acumulan con la tolerancia de fábrica. Mirá cuánto puede quedar de un «10 µF» según el tipo, trabajando a 12 V y 60 °C:

El Y5V, que en la etiqueta podía valer hasta 18 µF, en el circuito entrega entre un tercio y tres cuartos del nominal. Si lo que hacía falta eran «unos 10 µF», no los hay.

08 · Características

Tensión nominal y margen

Después de la capacidad, el segundo número de un capacitor es su tensión nominal: la mayor tensión continua que soporta de forma permanente. En el Tema 4 viste que es el parámetro crítico de esta familia, como la potencia lo es en los resistores.

El dieléctrico es una capa muy delgada. Si la tensión la supera, se perfora: en un cerámico o un film queda un cortocircuito; en un electrolítico, además, hay gas y presión. Por eso se trabaja siempre por debajo del valor impreso, con un margen que depende del tipo.

Las tensiones nominales también están normalizadas

Como los valores de la serie E, vienen en escalones: 6,3 V, 10 V, 16 V, 25 V, 35 V, 50 V, 63 V, 100 V. Se calcula el mínimo y se elige el escalón igual o superior. Para 12 V con un factor de 1,5 hacen falta 18 V: se compra el de 25 V.

La tensión de trabajo es la máxima que puede aparecer

No la nominal de la fuente. Una pila de 9 V nueva da 9,5; una fuente de 12 V sin carga puede dar bastante más; al desconectar un motor aparecen picos. Se toma el peor caso.

No conviene exagerar con los electrolíticos

Uno de 100 V en un circuito de 5 V funciona, pero es mucho más grande y más caro, y no mejora nada. En un cerámico X7R, en cambio, pasarse de tensión nominal sí rinde.

En un electrolítico hay un tercer dato impreso que también es un límite: la temperatura, 85 °C o 105 °C. Como viste en el Tema 4, el de 105 °C dura cuatro veces más a igual temperatura de trabajo y cuesta casi lo mismo.

09 · Selección

Elegir en cuatro preguntas

Como con los resistores, la selección es un recorrido corto. Lo que cambia es el orden: acá la primera pregunta es para qué se lo va a usar, porque de eso depende qué tipos quedan en carrera.

1. 1
   ¿El valor tiene que ser preciso y estable?

   Si fija un tiempo o una frecuencia: C0G o film, y ningún otro. Si solo tiene que «haber capacidad», quedan todos.

2. 2
   ¿Cuánta capacidad?

   El rango descarta tipos por sí solo. Hasta unas decenas de nanofaradios, C0G. Hasta unos pocos microfaradios, film o X7R. De ahí en adelante, electrolítico o tantalio.

3. 3
   ¿Qué tensión, y puede cambiar de signo?

   La tensión máxima real, multiplicada por el factor del tipo, llevada al escalón normalizado. Si la tensión se invierte, solo cerámico o film.

4. 4
   ¿Dónde va a trabajar y por cuánto tiempo?

   Con calor o para muchos años: electrolíticos de 105 °C alejados de las piezas calientes, o directamente cerámico o film si el valor lo permite.

10 · Simulador

Un trabajo, seis candidatos

Definí el trabajo: qué capacidad hace falta, a qué tensión y temperatura va a trabajar, si el valor tiene que ser estable y si la tensión puede invertirse. El simulador evalúa los seis tipos y marca el más económico que cumple.

• La franja de cada fila muestra entre cuánto y cuánto queda la capacidad efectiva, como porcentaje de la nominal. El punto blanco es el valor más probable.
• La línea amarilla es el 100 %: lo que dice la etiqueta.
• Debajo figura la tensión nominal que conviene pedir para ese tipo.

Recorrido guiado (7 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial: un desacople de 100 nF a 5 V.

   Casi todos cumplen. El elegido es el X7R, que conserva cerca del 88 % de su valor. El Y5V queda descartado: puede bajar del 60 %. El electrolítico no se fabrica en ese valor.

2. 2
   Subí la tensión de trabajo de 5 a 24 V, despacio.

   Fijate que la tensión nominal sugerida sube en escalones: 10, 16, 25, 35, 50 V. Y que la franja del X7R se mueve cada vez que la tensión se acerca al escalón siguiente.

3. 3
   Volvé a 5 V y subí la temperatura a 85 °C.

   Los C0G y los de film ni se mueven. El X7R baja unos puntos. El Y5V se desploma: queda con una cuarta parte de lo que dice su etiqueta.

4. 4
   Tocá «Temporizador».

   Ahora se pide un valor estable, y el filtro cambia por completo: quedan el C0G, el film y, justo en el límite, el tantalio. El X7R, que para desacople era el mejor, acá no sirve.

5. 5
   Tocá «La escena».

   100 µF estables. Ni C0G ni film existen en ese valor, y el electrolítico, con su ±20 %, no es estable. Queda el tantalio, justo en el límite. Subí la temperatura a 60 °C y ya no cumple ninguno: el trabajo, así planteado, no tiene solución con un capacitor.

6. 6
   Tocá «Acople de audio».

   La tensión puede cambiar de signo: los dos tipos polarizados quedan fuera, aunque en capacidad y tensión servirían.

Preguntas para pensar

1. En el paso 1, ¿por qué un Y5V que nominalmente tiene los mismos 100 nF no se considera apto?
2. En el paso 4, el X7R tiene mejor tolerancia que el Y5V y aun así queda descartado. ¿Qué le falta?
3. En el paso 5, ¿qué harías para resolver el trabajo de la escena?

11 · La selección en código

Unidades, energía y un catálogo con reglas

Tres bloques cortos: uno para dejar de equivocarse con las unidades, otro para dimensionar cuánto guarda un capacitor, y otro que convierte las cuatro preguntas en un filtro.

Un conversor de unidades

Internamente todo se guarda en faradios. Las funciones solo traducen hacia y desde la forma en que las personas lo escriben.

UNIDADES = {"pF": 1e-12, "nF": 1e-9, "uF": 1e-6}


def a_faradios(valor, unidad):
    return valor * UNIDADES[unidad]


def desde_codigo(codigo):
    # Código de tres cifras: dos cifras y la cantidad de ceros, en picofaradios
    return int(codigo[:2]) * 10 ** int(codigo[2]) * 1e-12


def legible(faradios):
    for unidad in ("uF", "nF", "pF"):
        if faradios >= UNIDADES[unidad] * 0.999:
            return f"{faradios / UNIDADES[unidad]:g} {unidad}"
    return f"{faradios / 1e-12:g} pF"


def las_tres(faradios):
    return " = ".join(f"{faradios / factor:g} {unidad}" for unidad, factor in UNIDADES.items())


print(las_tres(a_faradios(0.1, "uF")))
print(las_tres(a_faradios(4700, "pF")))
for codigo in ("104", "473", "220", "105"):
    print(f"código {codigo}: {legible(desde_codigo(codigo))}")

¿Qué código de tres cifras le corresponde a un capacitor de 2,2 nF? Probá con desde_codigo("222").

Carga, energía y tiempo

Las tres cuentas básicas, con las unidades ya convertidas. La última repite la escena con los extremos de la tolerancia.

def carga(c_faradios, volts):
    return c_faradios * volts                  # en coulombs


def energia(c_faradios, volts):
    return 0.5 * c_faradios * volts ** 2       # en joules


def constante_de_tiempo(r_ohm, c_faradios):
    return r_ohm * c_faradios                  # en segundos


c = 1000e-6
print(f"1000 uF a 9 V: {carga(c, 9) * 1000:.1f} mC y {energia(c, 9) * 1000:.1f} mJ")
print(f"Una pila de 9 V guarda unos 16000 J: {16000 / energia(c, 9):,.0f} veces más")

print("Temporizador de 100 kohm y 100 uF:")
for nombre, factor in (("nominal", 1.0), ("tolerancia -20 %", 0.8),
                       ("tolerancia +20 %", 1.2), ("envejecido, -30 % más", 0.8 * 0.7)):
    print(f"  {nombre:>22}: {constante_de_tiempo(100e3, 100e-6 * factor):.1f} s")

Calculá el mismo tiempo con constante_de_tiempo(10e6, 1e-6): ¿qué tipo de capacitor permite usar ese valor?

Un catálogo con las cuatro preguntas

Cada tipo se describe con su rango, su tolerancia, si es polarizado, si es estable y el factor de tensión que exige. La función recorre el catálogo y explica cada descarte.

ESCALONES = [6.3, 10, 16, 25, 35, 50, 63, 100]
CATALOGO = [
    # nombre, mínimo F, máximo F, tolerancia %, polarizado, estable, factor de tensión, costo
    ("Cerámico Y5V",   10e-9,  22e-6, 20, False, False, 2.0, 1.0),
    ("Cerámico X7R",  100e-12, 22e-6, 10, False, False, 2.0, 1.5),
    ("Electrolítico",   1e-6,  10e-3, 20, True,  False, 1.5, 2.0),
    ("Cerámico C0G",    1e-12, 100e-9, 5, False, True,  1.5, 3.0),
    ("Film",            1e-9,  4.7e-6, 5, False, True,  1.5, 4.0),
    ("Tantalio",      100e-9, 330e-6, 10, True,  False, 2.0, 6.0),
]


def elegir(c_faradios, v_trabajo, estable=False, cambia_de_signo=False):
    aptos = []
    for nombre, minimo, maximo, tol, polarizado, es_estable, factor, costo in CATALOGO:
        if not minimo <= c_faradios <= maximo:
            motivo = "no se fabrica en ese valor"
        elif cambia_de_signo and polarizado:
            motivo = "es polarizado"
        elif estable and not es_estable:
            motivo = "su valor no es estable"
        else:
            motivo = None
            nominal = min(v for v in ESCALONES if v >= v_trabajo * factor)
            aptos.append((costo, nombre, nominal, tol))
        print(f"  {nombre}: {'apto' if motivo is None else motivo}")
    if not aptos:
        print("  => NINGUNO: replantear el trabajo")
        return None
    _, nombre, nominal, tol = min(aptos)
    print(f"  => ELEGIDO: {nombre}, {nominal:g} V, ±{tol} %")
    return nombre


print("Desacople de 100 nF a 5 V:")
elegir(100e-9, 5)
print("Temporizador de 100 nF a 9 V:")
elegir(100e-9, 9, estable=True)
print("Reserva de 470 uF a 12 V:")
elegir(470e-6, 12)
print("La escena: 100 uF estables a 9 V:")
elegir(100e-6, 9, estable=True)

Este catálogo es más simple que el simulador: no calcula pérdidas, solo aplica reglas. Por eso para el desacople elige el Y5V. ¿Qué regla agregarías para que no lo haga?

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Ejercicios de selección

Ejercicio 1: tres unidades

Convertí cada valor a las otras dos unidades.

1. 0,47 µF
2. 2200 pF
3. 22 nF
4. Un capacitor cerámico marcado «473».

Ejercicio 2: qué tensión nominal pedir

Para cada caso, calculá la tensión nominal mínima con la regla del tipo y elegí el escalón normalizado.

1. Un electrolítico para una línea de 9 V que puede llegar a 9,5 V.
2. Un tantalio para una línea de 5 V.
3. Un cerámico X7R de desacople en una línea de 12 V.
4. Un electrolítico para una fuente de 24 V.

Ejercicio 3: cinco trabajos, cinco tipos

Elegí el tipo de capacitor para cada trabajo y justificá en una línea.

1. Un desacople de 100 nF junto a un integrado alimentado con 5 V.
2. Un temporizador con un resistor de 100 kΩ y un capacitor de 100 nF.
3. Una reserva de 470 µF a la entrada de un circuito de 12 V.
4. Los dos capacitores de 22 pF de un oscilador de cristal.
5. Un capacitor de 1 µF por el que pasa una señal de audio que cambia de signo.

Ejercicio 4: cuánto queda

En el simulador, pedí 10 µF para una reserva, con 12 V. Anotá el rango de capacidad efectiva del X7R y del Y5V a 25 °C y a 60 °C. ¿Cuál elegirías para estar seguro de tener al menos 7 µF en todo momento?

Ejercicio 5: rediseñar la escena

El temporizador de la escena usaba 100 kΩ y 100 µF. Proponé otra pareja de resistor y capacitor que dé los mismos 10 segundos y permita usar un capacitor estable. ¿Qué límite tiene ese camino?

Ejercicio 6: clasificá los capacitores de tu kit

Con las piezas reales. Separá los capacitores por tipo y, para cada uno, anotá valor, tensión nominal y, si es polarizado, cómo marca la polaridad.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 11?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir de qué tres cosas depende la capacidad de un capacitor.
• Nombrar los cuatro trabajos y cuál de ellos necesita un valor estable.
• Convertir 0,1 µF a nanofaradios y a picofaradios.
• Explicar la diferencia entre un cerámico C0G, un X7R y un Y5V.
• Decir qué tipos son polarizados y qué pasa si se conectan al revés.
• Explicar por qué un cerámico X7R de 10 µF puede entregar 6 µF.
• Elegir la tensión nominal de un electrolítico para una línea de 12 V.

En este tema tratamos al capacitor como una capacidad que varía. Pero una pieza real tiene además algo que ningún modelo ideal incluye: una pequeña resistencia interna, y un comportamiento que cambia según qué tan rápido se le pida trabajar. En el próximo tema, ESR, ripple y frecuencia.