26. Capacitor y energía | Circuitos Eléctricos para Programadores

01 · Punto de partida

Del “tanque chiquito” a los microcoulombs

En el curso 1 el capacitor era “un tanque chico que se llena y vacía rápido”. Hoy lo medimos: un electrolítico de 100 µF a 9 V guarda 900 µC y 4 mJ. Suficiente para un parpadeo de LED, ridículo frente a una pila. Esa proporción —útil para picos, inútil como batería— es la intuición cuantificada del tema.

Dos fórmulas y un límite (tensión nominal) te separan de usar capacitores con criterio.

¿Qué significa que un capacitor sea “de 100 µF”?
¿Cuánta carga y energía guarda a 9 V?
¿Por qué no reemplaza a la pila?
¿Qué tensión máxima aguanta?

02 · Capacidad

Qué son los faradios

1 faradio guarda 1 coulomb por cada voltio: es una enormidad (un supercapacitor de 1 F es un ladrillo). En electrónica vivimos en micro (µF), nano (nF) y pico (pF): 100 µF para fuentes, 100 nF junto a chips, pF en radio (curso 4).

Q = C \times V \cdot E = ½ \times C \times V²

Capacidad

Cuánta carga por voltio. La fijan área, distancia y dieléctrico: más placas y más cerca = más µF.

Carga lineal

Q crece con V en línea recta: doble tensión, doble carga. (La energía no: va al cuadrado.)

Energía cuadrática

E crece con V²: duplicar tensión cuadruplica la energía guardada. Por eso la nominal manda.

03 · Ejemplo medido

100 µF a 9 V, número por número

El capacitor estrella del curso, diseccionado.
Magnitud	Cuenta	Resultado
Carga Q	100 µF × 9 V	900 µC
Energía E	½ × 100 µF × 81	≈ 4,1 mJ
Vs. pila AA (3 Wh)	0,0041 / 10800	0,00004 % (nada)
LED 40 mW encendido	4,1 mJ / 40 mW	≈ 0,1 s (parpadeo)

Lectura profesional: el capacitor no alimenta, sostiene: entrega picos breves mientras la fuente parpadea. Para eso se compra (filtros, curso 2 y 4).

04 · Tipos y límites

Cerámico y electrolítico, sin vueltas

Cerámico (lenteja)

Chico y sin polaridad

nF a pocos µF, rápido y estable. Vive pegado a los chips calmando ruido. Se pincha de cualquier lado.

Electrolítico (tubo)

Grande y con polaridad

µF a mF para reservas de fuente. Franja = −, tensión nominal impresa: trabajar a la mitad o menos.

Tensión nominal ≥ 2× trabajo: En 9 V usar electrolíticos de 25 V (o 16 V mínimo). Al límite se degradan y pueden ventear.
Polaridad estricta: Electrolítico al revés: calienta, silba, se daña. Franja al − o a GND, siempre (curso 1, Tema 17).
Descarga antes de tocar: Los grandes de alta tensión guardan carga peligrosa aun desenchufados. En tu mesa de 9 V, cortocircuitar con resistor (no con cable) para descargar.
En CC estable: abierto: Cargado bloquea la continua (curso 1, Tema 16). Su vida interesante está en los cambios: Temas 29–30.

05 · Carga y energía en código

Función Q/E + comparador con pilas

Pasale capacidad y tensión: devuelve carga, energía, fracción de AA y segundos de LED:

Python en tu navegador. Probá con tus capacitores reales del kit.

def ficha_c(C_uF, V, nombre="capacitor"):
    C = C_uF * 1e-6
    Q, E = C * V, 0.5 * C * V**2
    print(f"{nombre} {C_uF} uF a {V} V: Q={Q*1e6:.0f} uC  E={E*1000:.1f} mJ")
    print(f"  vs AA (10800 J): {E/10800*100:.5f}% | LED 40mW: {E/0.04:.2f} s")
    return Q, E


ficha_c(100, 9, "electrolitico")
ficha_c(1000, 5, "reserva USB")

Probá ficha_c(470, 9): ¿pasa del parpadeo al destello visible?

Tabla de compras con criterio

Comparar candidatos antes de comprar:

for C, V in [(100, 9), (470, 9), (1000, 5), (10000, 5)]:
    E = 0.5 * C * 1e-6 * V**2
    print(f"{C} uF/{V}V: E={E*1000:.1f} mJ  LED={E/0.04*1000:.0f} ms")

06 · Analogía programador

Caché L1, no disco

1
Caché chica y rápida.
Guarda poco, entrega al instante. No reemplaza la base (pila): acelera los picos.
2
E ∝ V² es no lineal.
Como un algoritmo cuadrático: duplicar V cuadruplica la reserva (y el riesgo nominal).
3
Nominal = quota.
Trabajar a la mitad del nominal es headroom; al límite es deuda técnica con fecha.

07 · Exploración

Laboratorio: ¿cuánto guarda?

Mové capacidad y tensión: el laboratorio calcula Q, E, fracción de AA y segundos de LED, y verifica la tensión nominal que necesitarías.

LABORATORIO 26

Q = CV, E = ½CV²

C × V → Q, E

Capacidad: Tensión: 9,0 V

Carga Q900 µC

Energía E4,1 mJ

LED 40 mW0,1 s

Nominal mínima25 V (≥ 2×)

100 µF a 9 V: 900 µC y 4,1 mJ (un parpadeo).

Preguntas para explorar

Duplicá V de 5 a 10 con 1000 µF. ¿Q y E se duplican?
¿Qué capacitor da 1 segundo de LED? ¿Es práctico?
¿Por qué el cerámico 100 nF ni aparece en la escala LED?

Ver respuestas sugeridas

Q sí (lineal), E ×4 (cuadrática). Por eso la nominal se respeta: más V es mucha más E.
40 mJ → ~1000 µF a 9 V (40,5 mJ): grande y caro para un segundo. Las pilas existen por algo.
Guarda 0,9 µC y 4 µJ a 9 V: nueve órdenes bajo la pila. Su misión es ruido (ns), no energía.

08 · Comprensión

Confusiones frecuentes

«µF más grandes = mejor siempre»

Más grande tarda más en cargarse, ocupa más y cuesta más. Se dimensiona por misión (filtro, reserva, acople): sobredimensionar también falla.

«La nominal es orientativa»

Es techo con margen: trabajar pegado degrada y arriesga venteo. Mitad o menos, siempre (y con derating por temperatura en serio).

«Q y E crecen igual con V»

Q lineal, E cuadrática. Duplicar V duplica carga pero cuadruplica energía: el error conceptual que subestima riesgos.

«Descargado = 0 V seguro»

Los grandes se recargan solos un poco (absorción dieléctrica) tras cortocircuitarlos. Verificar con multímetro antes de tocar, siempre.

09 · Práctica guiada

Ejercicios de carga y energía

Ejercicio 1: ficha de tres

Con ficha_c(): 100 nF/9 V, 470 µF/9 V y 1000 µF/5 V. Ordenalos por E y decidí nominal de compra para 9 V.

Ver solución razonada

E: 4 µJ / 19 mJ / 12,5 mJ. Nominales: cerámico 50 V (sobrado), electrolíticos 25 V (≥ 2×9). El cerámico ni compite en energía: compite en velocidad.

Ejercicio 2: LED con capacitor

¿Cuántos µF a 9 V dan 0,5 s de LED 40 mW? Calculá a mano y verificá barriendo la tabla del código.

Ver solución

E = 0,04 × 0,5 = 20 mJ → C = 2×0,02/81 ≈ 494 µF → 470 µF (0,47 s) práctico. Medio segundo ya pide medio millar de µF.

Ejercicio 3: elegir nominal

Fuente 12 V, electrolítico de filtro. ¿Nominal? ¿Y si hay picos de 15 V? Justificá con E.

Ver solución

12 V → 25 V mínimo. Con picos de 15 V → 35 V (2×15 = 30 → E12 de nominales 35). La E a 15 V es 56 % mayor que a 12 V: el pico manda.

10 · Síntesis

Ideas para recordar

Q = CV lineal; E = ½CV² cuadrática.
mJ frente a Wh: el capacitor sostiene picos, no alimenta.
Nominal ≥ 2× trabajo; electrolítico con polaridad estricta.
Cerámicos para velocidad (nF), electrolíticos para reserva (µF–mF).
Descargar y verificar antes de tocar los grandes.

Capacitor medido en energía. Ahora, cómo se combinan: en el próximo tema, serie y paralelo de capacitores.