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Condensador

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Los condensadores tienen varios usos en sistemas electrónicos y eléctricos.

Almacen de energia

Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando está desconectado de su circuito de carga, por lo que puede usarse como una batería temporal. Los condensadores se usan comúnmente en dispositivos electrónicos para mantener el suministro de energía mientras se cambian las baterías. (Esto evita la pérdida de información en la memoria volátil).

Los condensadores se usan en fuentes de alimentación donde suavizan la salida de un rectificador de onda completa o media (dispositivo que convierte la corriente alterna en corriente continua). También se pueden usar en circuitos de bomba de carga como elemento de almacenamiento de energía en la generación de voltajes más altos que el voltaje de entrada.

Los condensadores están conectados en paralelo con los circuitos de alimentación de la mayoría de los dispositivos electrónicos y sistemas más grandes (como las fábricas) para desviar y ocultar las fluctuaciones de corriente de la fuente de alimentación primaria para proporcionar una fuente de alimentación "limpia" para los circuitos de señal o control. El equipo de audio, por ejemplo, utiliza varios condensadores de esta manera, para desviar el zumbido de la línea eléctrica antes de que entre en el circuito de la señal. Los condensadores actúan como una reserva local para la fuente de alimentación de CC y evitan las corrientes de CA de la fuente de alimentación. Esto se usa en aplicaciones de audio para automóviles, cuando un condensador de refuerzo compensa la inductancia y resistencia de los cables a la batería de plomo-ácido del automóvil.

Corrección del factor de poder

Los condensadores se utilizan en la corrección del factor de potencia para suavizar la distribución de corriente desigual. Tales condensadores a menudo vienen como tres condensadores conectados como una carga trifásica. Por lo general, los valores de estos condensadores no se dan en faradios sino más bien como una potencia reactiva en voltios-amperios reactivos (VAr). El propósito es contrarrestar la carga inductiva de los motores eléctricos y la iluminación fluorescente para hacer que la carga parezca mayormente resistiva.

Filtración

Acoplamiento de señal

Debido a que los condensadores pasan CA pero bloquean las señales de CC (cuando se cargan hasta el voltaje de CC aplicado), a menudo se usan para separar los componentes de CA y CC de una señal. Este método se conoce como AC acoplamiento. (A veces se usan transformadores para el mismo efecto). Aquí, se emplea un gran valor de capacitancia, cuyo valor no necesita ser controlado con precisión, pero cuya reactancia es pequeña a la frecuencia de la señal. Los condensadores diseñados para este propósito a través de un panel de metal se denominan condensadores de alimentación y tienen un símbolo esquemático ligeramente diferente.

Filtros de ruido, arrancadores de motor y amortiguadores.

Cuando se abre un circuito inductivo, la corriente a través de la inductancia se colapsa rápidamente, creando un gran voltaje a través del circuito abierto del interruptor o relé. Si la inductancia es lo suficientemente grande, la energía generará una chispa, causando que los puntos de contacto se oxiden, deterioren o algunas veces se unan, o destruya un interruptor de estado sólido. Un condensador amortiguador a través del circuito recién abierto crea un camino para que este impulso evite los puntos de contacto, preservando así su vida; estos se encontraron comúnmente en los sistemas de encendido de interruptor de contacto, por ejemplo. Del mismo modo, en circuitos de menor escala, la chispa puede no ser suficiente para dañar el interruptor, pero aún irradiará interferencias de radiofrecuencia (RFI) indeseables, que filtrar condensador absorbe. Los condensadores amortiguadores generalmente se emplean con una resistencia de bajo valor en serie, para disipar energía y minimizar la RFI. Dichas combinaciones de resistencia-condensador están disponibles en un solo paquete.

De manera inversa, iniciar corriente rápidamente a través de un circuito inductivo requiere un voltaje mayor que el requerido para mantenerlo; en usos tales como motores grandes, esto puede causar características de arranque indeseables y un condensador de arranque del motor se usa para aumentar la corriente de la bobina para ayudar a arrancar el motor.

Los condensadores también se usan en paralelo para interrumpir las unidades de un disyuntor de alto voltaje para distribuir equitativamente el voltaje entre estas unidades. En este caso se llaman condensadores de clasificación.

En los diagramas esquemáticos, un condensador utilizado principalmente para el almacenamiento de carga de CC a menudo se dibuja verticalmente en diagramas de circuito con la placa inferior, más negativa, dibujada como un arco. La placa recta indica el terminal positivo del dispositivo, si está polarizado.

Procesamiento de la señal

La energía almacenada en un condensador puede usarse para representar información, ya sea en forma binaria, como en DRAM, o en forma analógica, como en filtros de muestreo analógico y CCD. Los condensadores se pueden usar en circuitos analógicos como componentes de integradores o filtros más complejos y en la estabilización del circuito de retroalimentación negativa. Los circuitos de procesamiento de señal también usan condensadores para integrar una señal de corriente.

Circuitos sintonizados

Los condensadores y los inductores se aplican juntos en circuitos sintonizados para seleccionar información en bandas de frecuencia particulares. Por ejemplo, los receptores de radio dependen de condensadores variables para sintonizar la frecuencia de la estación. Los altavoces usan crossovers analógicos pasivos, y los ecualizadores analógicos usan condensadores para seleccionar diferentes bandas de audio.

En un circuito sintonizado como un receptor de radio, la frecuencia seleccionada es una función de la inductancia (L) y la capacitancia (C) en serie, y viene dada por:

Esta es la frecuencia a la que se produce la resonancia en un circuito LC.

Otras aplicaciones

Sintiendo

La mayoría de los condensadores están diseñados para mantener una estructura física fija. Sin embargo, varias cosas pueden cambiar la estructura del condensador; el cambio resultante en la capacitancia se puede usar para detectar esas cosas12.

Cambio del dieléctrico: los efectos de variar las características físicas y / o eléctricas del dieléctrico También puede ser de utilidad. Los condensadores con un dieléctrico expuesto y poroso se pueden usar para medir la humedad en el aire.

Cambio de la distancia entre las placas: los condensadores se utilizan para medir con precisión el nivel de combustible en los aviones. Los condensadores con una placa flexible se pueden usar para medir la tensión o la presión. Los condensadores se utilizan como sensor en los micrófonos de condensador, donde una placa se mueve por presión de aire, en relación con la posición fija de la otra placa. Algunos acelerómetros usan condensadores MEMS grabados en un chip para medir la magnitud y la dirección del vector de aceleración. Se utilizan para detectar cambios en la aceleración, por ejemplo, como sensores de inclinación o para detectar caídas libres, como sensores que activan el despliegue del airbag y en muchas otras aplicaciones. También se utilizan en sensores de huellas digitales.

Potencia pulsada y armas

Grupos de condensadores grandes, especialmente construidos, de baja inductancia y alto voltaje. (bancos de condensadores) se utilizan para suministrar grandes pulsos de corriente para muchas aplicaciones de energía pulsada. Estos incluyen formación electromagnética, generador de Marx, láser pulsado (especialmente láser TEA), redes de formación de pulso, radar, investigación de fusión y aceleradores de partículas.

Los grandes bancos de condensadores se utilizan como fuentes de energía para los detonadores de cables de explosión o los detonadores en las armas nucleares y otras armas especiales. Se está realizando un trabajo experimental utilizando bancos de condensadores como fuentes de energía para blindaje electromagnético y cañones de riel electromagnéticos o cañones de bobina.

Peligros y seguridad

Los condensadores pueden retener una carga mucho después de que se corta la energía de un circuito; Esta carga puede causar descargas (a veces fatales) o daños al equipo conectado. Por ejemplo, incluso un dispositivo aparentemente inocuo, como una unidad de flash de cámara desechable que funciona con una batería AA de 1,5 voltios, contiene un condensador que puede cargarse a más de 300 voltios. Esto es fácilmente capaz de administrar un shock extremadamente doloroso y posiblemente letal.

Se debe tener cuidado para garantizar que cualquier condensador grande o de alto voltaje se descargue correctamente antes de reparar el equipo que lo contiene. Por motivos de seguridad, todos los condensadores grandes deben descargarse antes de manipularlos. Para los condensadores de nivel de placa, esto se hace colocando una resistencia de purga a través de los terminales, cuya resistencia es lo suficientemente grande como para que la corriente de fuga no afecte el circuito, pero lo suficientemente pequeña como para descargar el condensador poco después de que se corta la energía. Los condensadores de alto voltaje deben almacenarse con los terminales en cortocircuito, ya que los condensadores descargados temporalmente pueden desarrollar voltajes potencialmente peligrosos cuando los terminales se dejan en circuito abierto.

Los condensadores viejos grandes llenos de aceite deben desecharse adecuadamente, ya que algunos contienen bifenilos policlorados (PCB). Se sabe que los residuos de PCB pueden filtrarse al agua subterránea debajo de los vertederos. Si se consumen al beber agua contaminada, los PCB son cancerígenos, incluso en cantidades muy pequeñas. Si el capacitor es físicamente grande, es más probable que sea peligroso y puede requerir precauciones además de las descritas anteriormente. Los nuevos componentes eléctricos ya no se producen con PCB. ("PCB" en electrónica generalmente significa placa de circuito impreso, pero el uso anterior es una excepción.) Los condensadores que contienen PCB fueron etiquetados como "Askarel" y varios otros nombres comerciales.

Alto voltaje

Más allá de los riesgos habituales asociados con el trabajo con circuitos de alta tensión y alta energía, existen varios peligros específicos de los condensadores de alta tensión. Los condensadores de alto voltaje pueden fallar catastróficamente cuando se someten a voltajes o corrientes más allá de su clasificación, o cuando alcanzan su final de vida normal. Las fallas en la interconexión dieléctrica o de metal pueden crear arcos dentro de las unidades llenas de aceite que vaporizan el fluido dieléctrico, resultando en abultamiento, ruptura o incluso una explosión que dispersa el aceite inflamable, inicia incendios y daña el equipo cercano. Las cajas de vidrio o plástico cilíndricas con carcasa rígida son más propensas a la ruptura explosiva que las cajas rectangulares debido a la incapacidad de expandirse fácilmente bajo presión. Los condensadores utilizados en aplicaciones de RF o de alta corriente sostenida pueden sobrecalentarse, especialmente en el centro de los rodillos del condensador. El calor atrapado puede causar calentamiento y destrucción rápida del interior, a pesar de que la carcasa exterior permanece relativamente fría. Los condensadores utilizados dentro de los bancos de condensadores de alta energía pueden explotar violentamente cuando una falla en un condensador provoca un vertido repentino de energía almacenada en el resto del banco en la unidad que falla. Y, los condensadores de vacío de alto voltaje pueden generar rayos X suaves incluso durante el funcionamiento normal. La contención adecuada, la fusión y el mantenimiento preventivo pueden ayudar a minimizar estos peligros.

Los condensadores de alto voltaje pueden beneficiarse de una precarga para limitar las corrientes de entrada al encender los circuitos HVDC. Esto extenderá la vida útil del componente y puede mitigar los riesgos de alto voltaje.

Física

Un condensador consta de dos electrodos conductores, o placas, separados por un aislante.

Capacidad

Cuando se acumula carga eléctrica en las placas, se crea un campo eléctrico en la región entre las placas que es proporcional a la cantidad de carga acumulada. Este campo eléctrico crea una diferencia potencial V = E · d entre las placas de este simple condensador de placas paralelas.

La capacitancia del condensador (DO) es una medida de la cantidad de carga (Q) almacenado en cada placa para una diferencia de potencial dada o voltaje (V) que aparece entre las placas:

En las unidades SI, un condensador tiene una capacidad de un faradio cuando un coulomb de carga causa una diferencia de potencial de un voltio a través de las placas. Como el faradio es una unidad muy grande, los valores de los condensadores generalmente se expresan en microfaradios (µF), nanofaradios (nF) o picofaradios (pF).

los capacidad es proporcional al área de superficie de la placa conductora e inversamente proporcional a la distancia entre las placas. También es proporcional a la permitividad de la sustancia dieléctrica (es decir, no conductora) que separa las placas.

La capacitancia de un capacitor de placa paralela viene dada por:

3

donde ε es la permitividad del dieléctrico, UNA es el área de las placas y re es el espacio entre ellos

En el diagrama, las moléculas rotadas crean un campo eléctrico opuesto que cancela parcialmente el campo creado por las placas, un proceso llamado polarización dieléctrica.

Energía almacenada

Como las cargas opuestas se acumulan en las placas de un condensador debido a la separación de la carga, se desarrolla un voltaje a través del condensador debido al campo eléctrico de estas cargas. Se debe hacer un trabajo cada vez mayor contra este campo eléctrico cada vez mayor a medida que se separa más carga. La energía (medida en julios, en SI) almacenada en un condensador es igual a la cantidad de trabajo requerida para establecer el voltaje a través del condensador y, por lo tanto, el campo eléctrico. La energía máxima que puede almacenarse de forma segura en un condensador particular está limitada por el campo eléctrico máximo que el dieléctrico puede soportar antes de que se rompa. Por lo tanto, todos los condensadores hechos con el mismo dieléctrico tienen aproximadamente la misma densidad de energía máxima (julios de energía por metro cúbico).

Modelo hidraulico

Como los circuitos eléctricos pueden modelarse mediante el flujo de fluido, un condensador puede modelarse como una cámara con un diafragma flexible que separa la entrada de la salida. Como se puede determinar de forma intuitiva y matemática, esto proporciona las características correctas

  • La diferencia de presión (diferencia de voltaje) en la unidad es proporcional a la integral de la corriente
  • Una corriente de estado estable no puede pasar a través de ella porque aplicar demasiada presión, por encima de la presión máxima, la destruirá.
  • Pero se puede transmitir un pulso transitorio o corriente alterna
  • La capacitancia de las unidades conectadas en paralelo es equivalente a la suma de sus capacitancias individuales.

Circuitos electricos

Los electrones dentro de las moléculas dieléctricas están influenciados por el campo eléctrico, lo que hace que las moléculas giren ligeramente desde sus posiciones de equilibrio. El espacio de aire se muestra para mayor claridad; En un condensador real, el dieléctrico está en contacto directo con las placas. Los condensadores también permiten que fluya la corriente alterna y bloquea la corriente continua.

Fuentes de corriente continua

Los electrones no pueden pasar fácilmente directamente a través del dieléctrico de una placa del condensador a la otra, ya que el dieléctrico se elige cuidadosamente para que sea un buen aislante. Cuando hay una corriente a través de un condensador, los electrones se acumulan en una placa y los electrones se eliminan de la otra placa. Este proceso se denomina comúnmente "cargar" el condensador, aunque el condensador sea en todo momento eléctricamente neutro. De hecho, la corriente a través del condensador da como resultado la separación de la carga eléctrica, en lugar de la acumulación de carga eléctrica. Esta separación de carga hace que se desarrolle un campo eléctrico entre las placas del condensador, dando lugar a voltaje a través de las placas. Este voltaje V es directamente proporcional a la cantidad de carga separada Q. Dado que la corriente I a través del condensador es la velocidad a la que la carga Q es forzada a través del condensador (dQ / dt), esto se puede expresar matemáticamente como:

dónde

yo es la corriente que fluye en la dirección convencional, medida en amperios,
dV/dt es la derivada temporal del voltaje, medida en voltios por segundo, y
do es la capacitancia en faradios.

Para los circuitos con una fuente de voltaje constante (CC), el voltaje a través del condensador no puede exceder el voltaje de la fuente. (A menos que el circuito incluya un interruptor y un inductor, como en SMPS, o un interruptor y algunos diodos, como en una bomba de carga). Por lo tanto, se alcanza un equilibrio donde el voltaje a través del condensador es constante y la corriente a través del condensador es cero. Por esta razón, se dice comúnmente que los condensadores bloquean CC.

Los condensadores también tienen un buen uso en los circuitos de robots hobby alimentados por CC.

Fuentes de corriente alterna

La corriente a través de un condensador debido a una fuente de CA invierte la dirección periódicamente. Es decir, la corriente alterna carga alternativamente las placas: primero en una dirección y luego en la otra. Con la excepción del instante en que la corriente cambia de dirección, la corriente del condensador no es cero en todo momento durante un ciclo. Por esta razón, se dice comúnmente que los condensadores "pasan" CA. Sin embargo, en ningún momento los electrones se cruzan entre las placas, a menos que el dieléctrico se rompa. Tal situación implicaría daños físicos al condensador y probablemente también al circuito involucrado.

Dado que el voltaje a través de un condensador es proporcional a la integral de la corriente, como se muestra arriba, con ondas sinusoidales en CA o circuitos de señal, esto resulta en una diferencia de fase de 90 grados, la corriente conduce al ángulo de fase del voltaje. Se puede demostrar que el voltaje de CA a través del condensador está en cuadratura con la corriente alterna a través del condensador. Es decir, el voltaje y la corriente están 'desfasados' por un cuarto de ciclo. La amplitud del voltaje depende de la amplitud de la corriente dividida por el producto de la frecuencia de la corriente con la capacitancia, C.

Impedancia

La impedancia es análoga a la resistencia de una resistencia. La impedancia de un condensador es inversamente proporcional a la frecuencia, es decir, para corrientes alternas de muy alta frecuencia, la reactancia se aproxima a cero, de modo que un condensador es casi un cortocircuito a una fuente de CA de muy alta frecuencia. Por el contrario, para corrientes alternas de muy baja frecuencia, la reactancia aumenta sin límite, de modo que un condensador es casi un circuito abierto a una fuente de CA de muy baja frecuencia. Este comportamiento dependiente de la frecuencia representa la mayoría de los usos del condensador.

La reactancia se llama así porque el condensador no disipa potencia, sino que simplemente almacena energía. En los circuitos eléctricos, como en la mecánica, hay dos tipos de carga, resistiva y reactiva. Las cargas resistivas (análogas a un objeto que se desliza sobre una superficie rugosa) disipan la energía entregada por el circuito, en última instancia por emisión electromagnética, mientras que las cargas reactivas (análogas a un resorte u objeto móvil sin fricción) almacenan esta energía, devolviendo finalmente la energía al circuito.

También es significativo que la impedancia sea inversamente proporcional a la capacitancia, a diferencia de las resistencias y los inductores para los que las impedancias son linealmente proporcionales a la resistencia y la inductancia, respectivamente. Esta es la razón por la cual las fórmulas de impedancia en serie y derivación (que se muestran a continuación) son las inversas del caso resistivo. En serie, las impedancias suman. En paralelo, las conductancias suman.

Equivalente de Laplace (dominio s)

Cuando se utiliza la transformada de Laplace en el análisis de circuitos, la impedancia capacitiva se representa en el s dominio por:

dónde do es la capacitancia, y s (= σ + jω) es la frecuencia compleja.

Corriente de desplazamiento

El físico James Clerk Maxwell inventó el concepto de corriente de desplazamiento, dre/ dt, para hacer que la ley de Ampere sea coherente con la conservación de la carga en los casos en que la carga se acumula como en un condensador. Interpretó esto como un movimiento real de cargas, incluso en el vacío, donde supuso que correspondía al movimiento de las cargas dipolares en el éter. Aunque esta interpretación ha sido abandonada, la corrección de Maxwell a la ley de Ampere sigue siendo válida.

Redes

Disposiciones en serie o paralelas

Los condensadores en una configuración en paralelo tienen la misma diferencia de potencial (voltaje). Su capacitancia total (DOeq) es dado por:

La razón para poner condensadores en paralelo es aumentar la cantidad total de carga almacenada. En otras palabras, aumentar la capacitancia también aumenta la cantidad de energía que se puede almacenar. Su expresión es:

La corriente a través de los condensadores en serie permanece igual, pero el voltaje a través de cada condensador puede ser diferente. La suma de las diferencias de potencial (voltaje) es igual al voltaje total. Su capacitancia total viene dada por:

En paralelo, el área efectiva del condensador combinado ha aumentado, aumentando la capacitancia general. Mientras está en serie, la distancia entre las placas se ha incrementado efectivamente, reduciendo la capacitancia general.

En la práctica, los condensadores se colocarán en serie como un medio de obtener económicamente condensadores de muy alto voltaje, por ejemplo para suavizar las ondas en una fuente de alimentación de alto voltaje. Tres condensadores de "600 voltios máximo" en serie aumentarán su voltaje de trabajo general a 1800 voltios. Por supuesto, esto se compensa con la capacidad obtenida que es solo un tercio del valor de los condensadores utilizados. Esto se puede contrarrestar conectando 3 de estas configuraciones en serie en paralelo, lo que da como resultado una matriz de condensadores 3x3 con la misma capacitancia general que un capacitor individual pero operable por debajo de tres veces el voltaje. En esta aplicación, se conectaría una resistencia grande a través de cada condensador para garantizar que el voltaje total se divida por igual entre cada condensador y también para descargar los condensadores por seguridad cuando el equipo no está en uso.

Otra aplicación es para el uso de condensadores polarizados en circuitos de corriente alterna; los condensadores están conectados en serie, en polaridad inversa, de modo que en un momento dado uno de los condensadores no está conduciendo ...

Condensador / inductor dualidad

En términos matemáticos, el condensador ideal puede considerarse como un inverso del inductor ideal, porque las ecuaciones de voltaje-corriente de los dos dispositivos pueden transformarse entre sí intercambiando los términos de voltaje y corriente. Así como dos o más inductores se pueden acoplar magnéticamente para hacer un transformador, dos o más conductores cargados se pueden acoplar electrostáticamente para hacer un condensador. los capacitancia mutua de dos conductores se define como la corriente que fluye en uno cuando el voltaje en el otro cambia por el voltaje de la unidad en el tiempo de la unidad.

Ver también

Notas

  1. ^ "Condensador" ahora se considera un término anticuado para condensador.

Referencias

  • El manual de ARRL. Newington, CT: The Amateur Radio Relay League. 2007. ISBN 0872599760.
  • Brain, Marshall y Charles W. Bryant. 2007. Howstuffworks.com: cómo funcionan los condensadores. HowStuffWorks, Inc. Consultado el 23 de enero de 2007.
  • Crowell, Benjamin. 2006

Electricidad y magnetismo. Luz y materia: materiales educativos para física y astronomía. Consultado el 23 de enero de 2007.

  • Currier, Dean. 2000. Biografía de von Kleist. Centro Australiano de Imágenes en Movimiento. Consultado el 23 de enero de 2007.
  • Currier, Dean. 2000. Biografía de Musschenbroek. Centro Australiano de Imágenes en Movimiento. Consultado el 23 de enero de 2007.
  • Huelsman, Lawrence P. 1972. Teoría básica de circuitos con computadores digitales. Prentice Hall. ISBN 0130574309.
  • Jenkins, John D. 2006. Museo Spark. Consultado el 23 de enero de 2007.
  • Marsh, David. 2006. Los sensores táctiles capacitivos ganan ventiladores. EDN, Reed Electronics Group. Consultado el 24 de enero de 2007.
  • Palmer, Wayne. 2006. Los sensores capacitivos pueden reemplazar los interruptores mecánicos para el control táctil. Línea de diseño de teléfonos móviles. Consultado el 24 de enero de 2007.
  • Zorpette, Glenn. Enero de 2005. Supercargado: una pequeña empresa surcoreana está dispuesta a hacer condensadores lo suficientemente potentes como para impulsar la próxima generación de automóviles híbridos-eléctricos. IEEE Spectrum en línea. Consultado el 24 de enero de 2007.

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 9 de enero de 2017.

  • ¿Qué es exactamente un condensador? - Tutorial de Tony van Roon

Ver el vídeo: C#1: Qué es un condensador capacitor? (Noviembre 2020).

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