Cómo medir Capacitores de valores grandes

Cómo medir Capacitores de valores grandes

Autor: Ing. Juan Castillo Ortiz

En los años que tengo dando cursos de audio en la Escuela SUONO y contestando la sección de preguntas “Decibeles y Watts” de la revista AudioCar, ha habido una inquietud recurrente que de una u otra forma siempre logré evadir: Cómo saber si el capacitor de 1 Faradio que acabo de comprar, realmente es de 1 Faradio. A esta pregunta siempre di respuestas como, “no me interrumpas cuando estoy hablando”, “miren nada más la chica que va pasando por allá” o “midiéndolo, obviamente, luego te explico cómo”.

Pues resulta que medir un capacitor, en sí, no tiene nada de espectacular. Simplemente tomas un multímetro, de preferencia uno de calidad, y lo mides. El detalle pendiente es que los multímetros, como el Fluke modelo 189 que probablemente sea uno de los más finos disponibles, sólo mide capacitancias hasta de 50 mF, es decir, 0.05 Faradios.

No puedo atreverme a decir que no exista un aparato sobre la faz de la tierra que sea capaz de medir los valores que necesitamos, pero simplemente yo jamás he visto uno y de existir, me imagino que no debe costar cualquier cosa. El caso es que la capacidad de los multímetros convencionales no nos sirve absolutamente para nada, en nuestro objetivo de ver si realmente nuestro capacitor cumple o no con sus especificaciones. El meollo del asunto posiblemente radique en que estos capacitores “monstruo” de 1 Faradio y más, son relativamente nuevos y extraños. Al parecer, la primera persona que los utilizó en una instalación automotriz fue el famoso Richard Clark de Autosound 2000 (que en su tiempo contaba con más fans que el mismísimo Topo Gigio, un servidor incluido), esto a finales de los años 80. Como dato curioso, en al menos una ocasión quisieron descalificar de una competencia (de calidad de sonido, obviamente) al señor Clark, por incluir en su sistema unos cilindros raros y totalmente desconocidos, que sabe Dios qué hicieran, que él llamaba “capacitores”. Increíble, ¿no lo creen?

Bueno, pues el caso es que estos enormes capacitores hace relativamente pocos años ni siquiera existían. Él tuvo que mandar a fabricar los suyos especialmente y más adelante fue él también quien primero los comercializó, capacitores de “tan solo” 800,000 micro faradios, a un precio de 125 dólares la pieza más envío (por supuesto, sin “display digital de voltaje” o gráficos de colores). Así que para qué poder medir algo que no existe. Probablemente por ello es que los multímetros que conocemos no llegan a estos niveles.

Pero el prefacio de este artículo no acaba aquí. En mi empresa SUONO, hace algún tiempo un nuevo proveedor de capacitores de Oriente me contactó para ofrecerme sus productos. Al enviarme sus imágenes y listas de precios, me encontré con información confusa acerca de los valores de capacitancia. Luego de pedir una explicación, se me informó que los capacitores señalados como de 1 Faradio podían realmente serlo, o bien me los podían fabricar de tan solo 0.3 Faradios, que es como la mayoría de sus clientes los ordenaban, ya que de esta forma se disminuía de manera importante el precio. Igualmente me comentaron que los capacitores marcados como de 2 y 3 Faradios, normalmente se despachaban con tan solo 1 Faradio. Aquí fue donde la moral se me fue al piso y decidí de una vez por todas saber qué es exactamente lo que estoy comprando (y vendiendo), así como ayudar a mis colegas importadores de productos a que no les den “gato por liebre”, y a todos ustedes entusiastas de los productos de calidad, para que realmente reciban lo que están pagando.

Hasta aquí el Preámbulo. Regresemos a nuestro problema de cómo medir cantidades monstruosas de capacitancia. Para ello tendremos que utilizar un poco de astucia con la finalidad de lograr medirla indirectamente.

Para empezar, ¿qué demonios es un capacitor? Capacidad o capacitancia es la propiedad que tiene cualquier sistema de conductores y dieléctricos (no conductores), de almacenar energía eléctrica cuando existe una diferencia de potencial entre sus conductores. Su valor se expresa como la relación entre la carga eléctrica y la diferencia de potencial:

C = q / V

Donde “C” es la Capacidad en Faradios, “q” la carga eléctrica en Coulombs o Amperes-segundo y “V” es la diferencia de potencial entre los conductores, en Volts. Por lo tanto los Faradios equivalen a Coulombs / Volts.

Cuando conectamos un capacitor a una fuente de voltaje, como una batería, empleando para ello una resistencia en serie, es decir, el tradicional procedimiento de “carga lenta” al momento de instalarlo por primera vez, entre sus placas crecerá tanto la carga eléctrica como el voltaje. Esto continúa hasta que eventualmente se iguale el voltaje de la fuente. El ritmo o velocidad de carga depende de la capacitancia del capacitor y del valor de la resistencia en serie. Lo mismo sucede también al descargarlo, esta vez retirando la fuente de energía y poniendo la resistencia en corto circuito entre sus terminales. Tanto el tiempo de carga como de descarga en un capacitor, están caracterizados por una cantidad conocida como la “Constante de Tiempo, τ (se lee “tao”)”, la cual es el producto de la resistencia y la capacitancia, es decir,

τ= RC

Resulta que al cargar lentamente un capacitor con una batería a través de una resistencia, el voltaje en función del tiempo obedece la siguiente expresión:

V(t) = Vo (1 – e-t/RC)

Donde V(t) es el voltaje en las terminales del capacitor como función del tiempo, Vo es el voltaje de la fuente (batería), el número “e” corresponde a la base del logaritmo natural, vale 2.718, “t” es el tiempo en segundos y RC es τ, la Constante de Tiempo. Este proceso de carga obedece una función exponencial.

Cuando el tiempo t = τ = RC, es decir, durante una constante de tiempo, el voltaje a través del capacitor habrá crecido a:

V(t) = Vo (1 – e-1) = 0.6321 Vo

Es decir, cada Constante de Tiempo el capacitor se cargará un 63.21% del voltaje disponible. Entendiendo esta función podremos darnos cuenta de que un capacitor nunca iguala el voltaje de la fuente, a no ser después de un tiempo infinito, pero para fines prácticos se dice que un capacitor se encuentra totalmente cargado después de cinco Constantes de Tiempo, es decir, al haber alcanzado el 99.3% del voltaje de la fuente. La descarga de un capacitor sigue este mismo proceso exponencial pero a la inversa, es decir, cada Constante de Tiempo el voltaje en las placas habrá decaído al 36.79% del valor de la fuente.

Bueno, pues en esta información está el truco que se me ocurrió para conocer con muy buena precisión el verdadero valor de capacitancia de cualquier capacitor:

Sabemos que cada Constante de Tiempo el capacitor se habrá cargado un 63.21% del voltaje disponible o decaído al 36.79%, en el caso de la descarga (estas dos cantidades suman 1). Y sabemos que una constante de tiempo es R x C, es decir, el valor de la resistencia por el valor de la capacitancia. Así que si medimos el tiempo que tarda en cargarse (o descargarse) una Constante de Tiempo y conocemos el valor de la Resistencia de carga, podremos calcular con bastante precisión la Capacitancia.

A continuación detallo, paso por paso, el procedimiento que utilicé para medir capacitores monstruo. Todo lo que necesitarás será un capacitor monstruo, una resistencia de 100 ohms (escogí ese valor ya que produce tiempos largos de carga y descarga pero podría ser cualquier otra cercana), un multímetro decente (Fluke es buena idea), un cronómetro digital (el reloj que traes en la muñeca, con cronómetro) y un chalán avispado que te ayude a tomar el tiempo.

Medición de capacitancia mediante el procedimiento de carga del capacitor:

  • Paso 1:
    Mide con mucha precisión la resistencia de carga y descarga. Para este ejemplo utilicé un multímetro Fluke con ajuste a cero ohms y mi ejemplar de resistencia midió 100.0 ohms.
  • Paso 2:
    Consigue una batería en muy buenas condiciones o una fuente de poder regulada. En este caso utilicé una fuente marca Cascade Audio de 90 Amperes.
  • Paso 3:
    Mide el voltaje en Corriente Directa de la fuente, sin carga. El resultado fue de 13.585 Volts.
  • Paso 4:
    Para poder realizar mediciones correctas, habrá que desarmar el capacitor. En este experimento se empleó un capacitor marca SUONO por ser el que se encontraba disponible. Con “desarmar” me refiero a que habrá que retirar todas las tarugadas que tienen encima, como la pantalla digital que muestra el voltaje (por favor, ni se te ocurra guiarte con ella para realizar esta medición ya que es de pésima calidad), foquitos, etc. Es importante retirar todo esto ya que se encuentra en paralelo con el capacitor, por lo que interfiere de manera directa con el valor de tu resistencia de prueba. Una vez “deshuesado”, conecta permanentemente las dos puntas del Voltímetro al capacitor (ajustado para medir Voltaje en Corriente Directa, obviamente), así como el negativo de la fuente de poder. Ojo: Verifica la polaridad del capacitor. Un capacitor al que se le invierte su polaridad tiende a destruirse.
  • Paso 5:
    Observa el voltaje en terminales del capacitor. Debería ser prácticamente de 0 Volts. Si no fuera así, descárgalo poniendo una resistencia de unos 10 ohms en corto circuito y concluye con un alambre en corto, para que el capacitor arranque lo más cercano posible a 0 Volts.
  • Paso 6:
    Momento de la verdad: esto suele realizarse más fácilmente entre dos personas. Uno de ustedes conectará el positivo de la fuente al positivo del capacitor, con su respectiva resistencia de 100 ohms en serie, mientras el otro arranca el cronómetro en el justo momento en que se haga el contacto eléctrico. Deberán realizar este acto de manera simultánea. Mientras se realiza el proceso de carga, esta conexión eléctrica jamás deberá interrumpirse. Si esto sucediera, habrá que comenzar de nuevo.
Medición

Una vez que se haga el contacto eléctrico, el voltaje comenzará a elevarse de forma exponencial. Una constante de tiempo para el proceso de carga, para 13.585 Volts, es (13.585)(0.6321) = 8.5874 Volts. Esto quiere decir que deberán parar el cronómetro en el justo momento en que el Voltímetro llegue a 8.5874 Volts.
Para este ejemplo, tal voltaje fue alcanzado en 108 segundos (1 minuto con 48 segundos).

Por supuesto, también se puede realizar esta misma medición pero utilizando el proceso de descarga. Para este caso, con las puntas del Voltímetro en ambos bornes del capacitor, se le da carga lenta con una resistencia en serie de unos 10 ohms hasta llegar al voltaje de la fuente. Una vez llegado, se retira la resistencia de carga, se pone la fuente directa a las terminales del capacitor y se mide el voltaje, en este caso salió de 13.585 Volts. Ahora, se pone la resistencia de 100 ohms en corto circuito en el capacitor (entre sus terminales “más” y “menos”), sin retirar la fuente. Tu amigo y tú se ponen listos, y mientras uno desconecta la fuente el otro arranca el cronómetro. La resistencia de 100 ohms en corto provocará que el voltaje comience a descender exponencialmente. El 36.79% del voltaje original se obtiene de (13.585)(0.3679) = 4.9976 Volts. Así que en el momento en que el Voltímetro llegue a 4.9976 Volts, habrá que detener el cronómetro. En este caso tal voltaje se alcanzó a los 107 segundos.

Los resultados que obtuve fueron 108 y 107 segundos, para los procesos de carga y descarga respectivamente, es decir prácticamente lo mismo, y la diferencia debe corresponder a pérdidas y a mi velocidad de reacción con el cronómetro.

Si la constante de tiempo es de 107.5 segundos (promedio) y la Resistencia vale exactamente 100 ohms, ¿cuál será el valor exacto del capacitor SUONO que medí?

C = tiempo / Resistencia

C = 107.5 / 100 = 1.075 Faradios, es decir, ligeramente superior al valor publicado, tal como esperaríamos de un producto de calidad.

Así que ya lo sabes amigo, ya sabes cómo medir un capacitor y darte cuenta de si realmente te están dando lo que pagaste, o vilmente te están viendo la cara. Ojalá muchos de ustedes pongan en uso esta información y así “motivemos” a los importadores y comerciantes, a asegurarse de realmente dar lo que se ofrece.

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