En tutoriales anteriores, discutimos la instalación de un laboratorio de electrónica y aprendimos conocimientos rudimentarios sobre resistencias. Continuando con la discusión sobre componentes pasivos, hablemos del capacitor.
Empecemos con un circuito ficticio.
Imagine un circuito puramente resistivo impulsado por una fuente de voltaje ideal o una fuente de corriente ideal. En un circuito ideal ficticio de este tipo, los componentes puramente resistivos (de un circuito de carga puramente resistivo) tienen caídas de tensión fijas en poco tiempo. Una vez que se alimenta el circuito, las caídas de voltaje en los componentes se vuelven constantes y corrientes constantes fluyen a través de ellos en todo momento.
Volvamos a la realidad
Prácticamente ningún circuito electrónico o eléctrico se comporta como nuestro circuito ficticio. No hay componentes puramente resistivos (incluso las resistencias muestran cierta reactancia), fuentes de voltaje ideales o fuentes de corriente ideales. Aunque un circuito resistivo recibe alimentación de una fuente de voltaje constante o de una fuente de corriente constante, pasa por un estado transitorio antes de alcanzar un estado fijo y estable. Por lo tanto, todos los circuitos y sus componentes al aplicar un voltaje o corriente experimentan cambios en el voltaje o la corriente a través de ellos. Un curso puede alcanzar un estado estable sólo después de algún tiempo.
Circuitos CC y señales CC.
En términos generales, las señales eléctricas se pueden clasificar en señales de CC y CA. Cualquier fuente de voltaje o corriente es un dispositivo de dos terminales que puede conducir corriente en dos direcciones en cualquier circuito. Un circuito de CC es un circuito en el que la corriente fluye en una sola dirección desde la fuente de voltaje o corriente que lo impulsa. Por tanto, las señales de CC se pueden definir como señales eléctricas con polaridad fija y en las que el voltaje y la corriente cambian solo en una dirección. No hay inversión de polaridad ni cambio en la dirección de la corriente en la fuente que impulsa el circuito.
En la práctica, DC es un término generalizado. También puede referirse a un componente de CC de una señal eléctrica o al comportamiento de CC de un componente eléctrico o electrónico. Una señal de CC puede tener voltaje o corriente que varían con el tiempo, pero nunca implica invertir la polaridad del voltaje o invertir la dirección de la corriente.
Circuitos de CA y señales de CA
Una fuente de voltaje que suministra voltaje en el que la polaridad se invierte alternativamente se llama fuente de voltaje de CA. De manera similar, una fuente de corriente que suministra corriente en la que la dirección continúa alternando se llama fuente de CA. Un circuito alimentado por una fuente de voltaje de CA o una fuente de CA tiene una inversión de polaridad de voltaje y una tendencia de corriente alternativamente. Estos circuitos, donde el voltaje y la corriente cambian de dirección periódicamente, se denominan circuitos de CA. Una señal de CA se puede definir como una señal eléctrica en la que la polaridad del voltaje y la dirección de la corriente alternan periódicamente. El voltaje y la corriente aumentan a un valor máximo, caen a cero en la dirección inversa, aumentan nuevamente a un valor máximo en la dirección opuesta y luego caen a cero en la dirección inversa. Esto continúa hasta que la señal permanece activa.
Señales, circuitos CC y circuitos CA.
Los cambios en la magnitud (y dirección) del voltaje y la corriente son todos para bien. Si las señales no cambian con el tiempo, no tienen ninguna utilidad práctica. Después de todo, la electrónica consiste en procesar señales eléctricas. Los circuitos de CC procesan señales eléctricas en las que el voltaje y/o la corriente cambian en una sola dirección. Los circuitos de CA procesan señales eléctricas en las que el voltaje y la corriente cambian de magnitud y siguen cambiando de dirección alternativamente.
Más oposición a la corriente : capacitancia e inductancia.
Materiales y componentes electrónicos similares muestran cierta oposición natural al flujo de corriente. Esto se define por “resistencia”. También se oponen a cualquier cambio en la magnitud y dirección de la corriente. Esto se define como "inductancia". La inductancia proviene de un campo magnético opuesto inducido en materiales y componentes electrónicos en respuesta a una corriente cambiante o alterna.
De manera similar, los materiales y componentes electrónicos presentan oposición a la corriente debido a campos eléctricos opuestos inducidos por la retención o almacenamiento de portadores de carga por parte de ellos. Esto se define como "capacitancia". La resistencia permanece presente en los circuitos de CC y CA y muestra un comportamiento de señal similar a las señales de CC y CA. Sólo los circuitos de CA o CC con señales de CC pulsantes muestran inductancia y capacitancia. En los circuitos de CC que involucran señales de CC constantes, la inductancia y la capacitancia no son muy significativas (y además no son deseadas).
Mientras que la resistencia disipa la energía eléctrica en forma de calor, la inductancia y la capacitancia almacenan temporalmente energía eléctrica en forma de campos magnéticos y eléctricos, respectivamente, y la devuelven al circuito nuevamente en forma de energía eléctrica. Por tanto, no hay pérdida de energía debido a la inductancia o capacitancia, a diferencia del caso de la resistencia.
Capacidad
La capacitancia es la propiedad de los materiales o componentes electrónicos mediante la cual pueden almacenar temporalmente carga eléctrica. La capacitancia es la cantidad de carga almacenada por una entidad electrónica por unidad de voltio de diferencia de potencial aplicada.
C = Q/V
Dónde,
C = Capacitancia (en Faradios)
Q = Carga almacenada (en culombios)
V = voltaje aplicado (en voltios)
Obviamente, un componente con mayor capacitancia puede almacenar una cantidad más significativa de carga por unidad de voltaje aplicado. No todos los materiales o componentes pueden almacenar carga en respuesta a una diferencia de potencial aplicada. Algunos materiales aislantes especiales que pueden polarizarse en respuesta a la diferencia de potencial aplicada tienen capacitancia. Estos materiales electrónicos se denominan materiales dieléctricos o simplemente dieléctricos. Afortunadamente, el aire o el vacío pueden servir como medio dieléctrico, permitiendo que se establezca el campo eléctrico entre dos conductores en respuesta a un voltaje aplicado.
Los dispositivos diseñados para almacenar carga en un campo eléctrico en respuesta a la diferencia de potencial (voltaje) aplicada se denominan condensadores. El condensador más simple puede consistir en dos placas metálicas (electrodos) separadas por aire o vacío. Si las dos placas están en cortocircuito, no son más que un cable de conexión. La presencia de aire o vacío, medio dieléctrico, entre las placas hace que este conjunto sea capaz de almacenar carga eléctrica con alguna diferencia de potencial (voltaje).
Por tanto, cualquier condensador es una configuración de dos electrodos (materiales conductores) separados por un medio dieléctrico. La unidad de capacitancia es Farad (Coulomb/Volt), llamada así en honor a Michael Faraday. La propiedad de un medio dieléctrico que determina la carga almacenada por unidad de volumen tras la aplicación de una unidad de voltaje se llama permitividad. La permitividad del espacio libre o vacío es una constante llamada permitividad absoluta igual a 8,85×10 -12 Faradio/Metro. La permitividad de un medio dieléctrico con respecto a la permitividad absoluta se llama permitividad relativa o constante dieléctrica. La capacitancia de un capacitor depende de la permitividad del medio dieléctrico utilizado en él, la forma, el tamaño y la construcción del capacitor.
Unidad de capacitancia
Farad es una unidad demasiado grande para expresar capacitancia estándar. Por lo tanto, la capacitancia de los capacitores estándar se expresa en submúltiplos de Faradio, como Microfaradio (10 -6 F), Nanofaradio (10 -9 F) y Picofarad (10 -12 F).
Análisis de señal de condensador.
Primero veamos el comportamiento de un condensador en un circuito de CC. Los condensadores están diseñados para almacenar carga temporalmente en un circuito. El circuito de CC más simple con un capacitor puede ser un capacitor conectado a una fuente de voltaje mediante un interruptor. Se puede conectar una resistencia (recuerde las resistencias de purga) en paralelo al capacitor mediante otro interruptor para descargar el capacitor.
Inicialmente, no hay diferencia de potencial a través del capacitor y supongamos que inicialmente no hay carga almacenada en el capacitor. Cuando la fuente de voltaje se conecta al capacitor, se aplica al capacitor una diferencia de potencial de igual voltaje. En respuesta a un voltaje aplicado, el medio dieléctrico del capacitor comienza a polarizarse y almacenar carga en forma de campo eléctrico. La siguiente ecuación da la carga que puede almacenar el capacitor:
Q = VC
Por lo tanto, la corriente a través del capacitor viene dada por la siguiente ecuación:
l = dQ/dt
= d(CV)/dt
= CdV/dt
Y el voltaje a través del capacitor viene dado por la siguiente ecuación:
dV = I/C. dt
Entonces, ∫dV = 1/C * ∫i.dt
= 1/C * 0 ∫ t i.dt
Carga de condensadores
El voltaje a través del capacitor es proporcional a la carga almacenada en él e inversamente proporcional a la capacitancia del capacitor. La carga no se almacena instantáneamente dentro del capacitor en respuesta a un voltaje aplicado. Cuando se aplica voltaje al capacitor, actúa como un cortocircuito y la corriente máxima fluye a través de él. La corriente a través del capacitor disminuye exponencialmente con la carga almacenada en él y el voltaje a través de él aumenta al mismo ritmo. La corriente a través del capacitor se detiene cuando el voltaje a través del capacitor aumenta igual y en sentido opuesto al voltaje aplicado. Ahora, el capacitor actúa como un circuito abierto y no fluye corriente a través de él mientras se desarrolla un voltaje igual y opuesto a través de él. Por lo tanto, la corriente fluye a través del capacitor sólo hasta que cambia el voltaje a través de él. Una vez que el voltaje a través del capacitor se vuelve constante (igual y opuesto al voltaje aplicado), no fluye corriente a través de él. El voltaje a través del capacitor permanece incluso cuando no fluye corriente a través de él, ya que la tasa de cambio de voltaje a través del capacitor es proporcional a la corriente e inversamente proporcional a la capacitancia; cuanto mayor es la capacitancia de un capacitor, más lenta es la tasa de cambio de voltaje (aumento de voltaje) a través de él.
Descarga del condensador
Una vez que el capacitor tiene un voltaje igual y opuesto, está completamente cargado, mantiene una carga igual a CV y no fluye corriente a través de él. No habrá ningún cambio en la corriente o el voltaje a través del capacitor hasta que se cambie o varíe el voltaje aplicado. Por lo tanto, en un circuito de CC constante, el condensador se cargará completamente (exponencialmente) y eventualmente se convertirá en un circuito abierto. Ahora es necesario descargarlo cortocircuitando sus terminales o usando una resistencia de purga. De cualquier manera, una corriente de descarga fluye a través del capacitor en dirección opuesta a la corriente de carga. Al igual que la corriente de carga, la corriente de descarga es inicialmente máxima y disminuye exponencialmente. El voltaje a través del capacitor también disminuye exponencialmente junto con la corriente de descarga. La corriente de descarga se detiene cuando el voltaje a través del capacitor se reduce a cero.
El condensador en el circuito de CA.
Ahora, supongamos que la fuente de voltaje es CA. Como fuente de tensión sinusoidal, la tensión aplicada vendrá dada por la siguiente ecuación:
V = V I pecado (ωt)
Dónde,
V = voltaje de forma de onda en un instante
V i = voltaje pico de la forma de onda
ω = Frecuencia de la forma de onda
t = instante de tiempo
La siguiente ecuación dará la corriente a través del capacitor:
yo = CdV/dt
= Cd(V i sen(ωt))/dt
=ωCV yo cos(ωt)
= I I cos(ωt) donde I I =ωCV I
= Yo seno (ωt + 90°)
La oposición a la corriente por parte del capacitor se llama reactancia capacitiva. La siguiente ecuación da esto:
Xc = V/I
=V I /I I O V rms /I rms
= 1/ωC
Luego podemos ver que la corriente a través del capacitor de un circuito de CA impulsa el voltaje a 90° o 1/4 de la frecuencia a medida que el voltaje aplicado aumenta hasta el valor máximo, el capacitor se carga y la corriente de carga disminuye exponencialmente desde el valor máximo hasta cero mientras que el voltaje a través del capacitor aumenta exponencialmente, aumentando igual y en sentido opuesto al voltaje aplicado. Por lo tanto, en el ángulo de fase de 90° de la señal de voltaje aplicada (1/4 de la frecuencia de la señal), la corriente de carga a través del capacitor se redujo a cero (desde el máximo) y el voltaje a través del capacitor aumentó de cero al voltaje máximo.
A medida que el voltaje aplicado cae desde el valor máximo a cero, una corriente en dirección inversa fluye a través del capacitor, que aumenta desde cero hasta un valor máximo. El voltaje a través del capacitor cae junto con el voltaje aplicado, reduciéndolo a cero y descargando el capacitor. Por lo tanto, en un ángulo de fase de 180° de la señal de voltaje aplicada (la mitad de la frecuencia de la señal), la corriente de descarga (aquí, corriente en dirección inversa debido a la disminución en el voltaje aplicado) fluye en la dirección opuesta, aumentando desde cero hasta el valor máximo y el voltaje a través del capacitor cae desde el valor máximo hasta cero.
Ahora la señal de voltaje aplicada invierte la polaridad y el voltaje aplicado aumenta desde cero hasta el valor máximo en la dirección opuesta. Esto nuevamente comienza a cargar el capacitor, aumentando el voltaje a través del capacitor igual y opuesto al voltaje máximo (en la dirección inversa) y reduciendo la corriente a través del capacitor desde el valor máximo a cero. Por lo tanto, en un ángulo de fase de 270° de la señal de voltaje aplicada (3/4 de la frecuencia de la señal), el voltaje a través del capacitor aumentó hasta un valor máximo con polaridad opuesta, y la corriente a través del capacitor que fluye en la dirección opuesta cae. a cero desde el valor máximo (en dirección inversa).
A medida que el voltaje aplicado cae del valor pico a cero en polaridad inversa, una corriente fluye a través del capacitor en dirección positiva, aumentando de cero a un valor pico, y el voltaje a través del capacitor (en polaridad inversa) cae del valor pico a cero. Esto descarga el condensador. Por lo tanto, en un ángulo de fase de 360° de la señal de voltaje aplicada (finalización de un ciclo de la señal de CA), el voltaje a través del capacitor volvió a caer a cero, descargándose el capacitor, y la corriente a través del capacitor volvió a aumentar hasta alcanzar el valor máximo en una dirección positiva. La respuesta de CA de un condensador se puede ilustrar mediante el siguiente diagrama de señal:
Gráfico que muestra el voltaje y la corriente a través de un capacitor en un circuito de CA (Imagen: Tutoriales de electrónica).
El comportamiento de la señal de un condensador se puede resumir de la siguiente manera:
1) Un condensador está destinado a almacenar temporalmente carga en un circuito, que regresa al circuito cuando se descarga. La carga almacenada regresa como una corriente de descarga en la dirección opuesta a la corriente de carga.
2) Siempre que aumenta el voltaje aplicado a un capacitor en cualquier dirección, el capacitor se carga. La corriente que lo atraviesa disminuye exponencialmente y el voltaje que lo atraviesa aumenta exponencialmente hasta igualar el voltaje aplicado. Al cargar, el voltaje a través del capacitor se desarrolla en sentido opuesto al voltaje y la corriente aplicados, siempre en la dirección del voltaje aplicado (y en sentido opuesto al voltaje desarrollado a través del capacitor).
3) Cada vez que disminuye el voltaje aplicado a un capacitor en cualquier dirección, el capacitor se descarga. La corriente que lo atraviesa aumenta exponencialmente y el voltaje a través de él disminuye exponencialmente hasta que el capacitor se descarga completamente o se descarga al nivel más bajo, dependiendo de la caída en la señal aplicada. Al descargarse, el voltaje a través del capacitor se desarrolla en la dirección del voltaje aplicado inicialmente. La corriente siempre va en dirección opuesta a la tensión aplicada inicialmente (tensión de carga).
4) La corriente fluye a través del capacitor hasta que cambia el voltaje que se le aplica. El aumento de voltaje carga el capacitor y el descenso de voltaje lo descarga. El voltaje a través del capacitor permanece aunque no fluya corriente a través de él hasta que se descarga debido a una disminución en el voltaje aplicado, o se descarga a través de una resistencia (o carga), o por un cortocircuito.
5) En un circuito de CA o en respuesta a una señal de CA, la corriente a través del capacitor siempre transporta el voltaje a través de él en 90°. La corriente a través del capacitor depende no sólo de la capacitancia y la tasa de cambio de voltaje, sino también de la frecuencia de la señal aplicada.
6) La oposición a la corriente por parte de un capacitor (reactancia capacitiva) es inversamente proporcional a su capacitancia y la frecuencia del voltaje aplicado. Cuanto mayor es la capacitancia de un capacitor, menor es su reactancia capacitiva. Asimismo, cuanto mayor sea la frecuencia de la señal de voltaje aplicada, menor será su reactancia capacitiva. El condensador actúa como un circuito abierto para una señal de CC constante después de cargar hasta un nivel máximo. Por lo tanto, se puede utilizar un condensador para bloquear señales de CC o componentes de CC de señales eléctricas. De manera similar, debido a la dependencia de la frecuencia de la reactancia capacitiva, los capacitores se pueden usar para filtrar las frecuencias de la señal de CA.
7) Dado que los condensadores almacenan carga temporalmente, se utilizan en memorias eléctricas.
En el próximo artículo, analizaremos diferentes tipos de condensadores y sus aplicaciones.