CONDENSADORES DE CORRIENTE ALTERNA Condensadores
Los condensadores son dispositivos capaces de almacenar una determinada cantidad de electricidad. Se componen de dos superficies conductoras, llamadas armaduras, puestas frente a frente y aisladas entre sí por un material aislante que es llamado dieléctrico. La capacidad de almacenar electricidad es proporcional directamente a la superficie enfrentada; inversamente proporcional a la distancia que separa las armaduras y depende del dieléctrico existente entre ambas. Si el dieléctrico es aire, se dice que la constante dieléctrica es 1. Si entre las armaduras se interpone una placa de papel impregnado, cuya constante dieléctrica es 3,50, se obtendrá un condensador de 3,50 veces más de capacidad que el mismo con dieléctrico de aire. Su capacidad de almacenar electricidad viene proporcionada por la siguiente propiedad: supongamos, por ejemplo, una batería. En ella sabemos que entre sus bornes existe una diferencia de potencial (d.d.p.) lo cual quiere decir que, en última instancia , la principal función de esta batería consiste en trasladar los electrones negativos que posee de más en su borne negativo y recogerlos en igual número en su borne positivo. Si, por ejemplo, se conecta cada uno de estos polos a un conductor, los electrones serán expulsados por el conductor superior y son absorbidos en el mismo número por el inferior dejando la placa superior cargada negativamente y la inferior positivamente. De esta forma podría decirse que durante una muy breve fracción de segundo se establece una corriente muy pequeña que corre a llenar el interior de cada cable y que cesa porque el circuito no está establecido. Así pues, podemos decir que los conductores almacenan cierta cantidad de electricidad; y si se logra desconectar estos conductores de los bornes de la batería, de una manera instantánea , la carga permanecería en los conductores una vez separados de la fuente. Si en un circuito así concebido aumentamos el grosor o el tamaño de un conductor, aumentará proporcionalmente la capacidad; y si en un punto determinado de un circuito aplicamos una gran superficie, habremos conseguido almacenar aquí mucha mayor cantidad de electrones de los que caben en un delgado conductor. De alguna manera podemos comparar un condensador con un abombamiento que existiera en un circuito por el que pasa agua. Cuando se interrumpe el paso del líquido, en la zona del abombamiento queda aprisionada mucha más cantidad de líquido que en el resto del tubo. El condensador es, pues, un componente deliberadamente fabricado para tener gran capacidad de almacenamiento de corriente; y esta capacidad depende, como decíamos al principio, de la superficie de las ataduras.
Funcionamiento de un Condensador
Aquí tenemos un ejemplo del funcionamiento de un condensador frente a una corriente alterna. Vemos un generador de corriente alterna que está conectado a un condensador. Debido a la tensión alterna U, el condensador resulta cargado, descargado, vuelto a cargar con polaridad opuesta; una vez más descargado, y así sucesivamente. Con ello circula una corriente cuya variación es senoidal. Pero, la corriente no circula a través del condensador, es decir a través de su dieléctrico que es aislante como hemos dicho, la corriente sólo circula de los bornes del generador a las armaduras del condensador y viceversa, es decir, aunque el circuito realmente no está cerrado el efecto es como si lo estuviera; y siendo éste el efecto, se suele decir que por el circuito circula una corriente eléctrica. La intensidad de la corriente o, mejor dicho, el valor eficaz de la corriente alterna depende, aparte de la tensión del generador, de la capacidad del condensador y de la frecuencia de la propia corriente alterna. Cuanto mayor es la capacidad y más elevada la frecuencia, con tanta más violencia se desarrolla el proceso continuo de carga y descarga y, en consecuencia, tanto más intensa será la corriente. A pequeñas capacidades y frecuencias circulará sólo una débil corriente. En lo que respecta a la corriente continua el comportamiento del condensador es diferente. Aquí dí hay una interpretación práctica de la corriente. Frente a la corriente continua el condensador se comporta como un depósito que solamente se abre cuando la presión de alimentación (tensión) varía. Cuando la tensión continua aumenta, la corriente pasa de + hacia el polo -; cuando se estabiliza no hay paso de corriente, y cuando disminuye la tensión, la corriente circula en sentido inverso. El caso de la corriente alterna resulta diferente porque, como se deduce de lo explicado antes, esta corriente con sus cambios de fase carga y descarga sucesivamente al condensador. Dentro de un circuito electrónico los condensadores se utilizan en los circuitos oscilantes uniendo su función a la que ejercen las inductancias (o bobinados) aprovechando sus condiciones de paso de la corriente alterna y bloqueo de la continua. Corriente alterna en circuitos capacitivos
A diferencia del comportamiento de un capacitor con la corriente continua (donde no hay paso de corriente), el paso de la corriente alterna por el capacitor si ocurre. Otra característica del paso de una corriente alterna en un capacitor es que el voltaje que aparece en los terminales del mismo está desfasado o corrido 90° hacia atrás con respecto a la corriente que lo atraviesa.
Este desfase entre el voltaje y la corriente se debe a que el capacitor se opone a los cambios bruscos de voltaje entre sus terminales. ¿Qué significa estar desfasado o corrido?
Significa que el valor máximo del voltaje aparece 90° después que el valor máximo de la corriente. En el diagrama se observa que la curva en color rojo ocurre siempre antes que la curva en color negro en 90° o 1/4 del ciclo. Entonces se dice que el voltaje está atrasado con respecto a la corriente o lo que es lo mismo, que la corriente está adelantada a la tensión o voltaje
Si se multiplican los valores instantáneos de la corriente y el voltaje en un capacitor se obtiene una curva sinusoidal (del doble de la frecuencia de corriente o voltaje), que es la curva de potencia. (acordarse que: P = I x V, Potencia = Corriente x Voltaje) Esta curva tiene una parte positiva y una parte negativa, esto significa que en un instante el capacitor recibe potencia y en otro tiene que entregar potencia, con lo cual se deduce que el capacitor no consume potencia (caso ideal. Se entrega la misma potencia que se recibe) Al aplicar voltaje alterno a un capacitor , éste presenta una oposición al paso de la corriente alterna, el valor de esta oposición se llama reactancia capacitiva (Xc) y se puede calcular con la ley de Ohm XC = V / I, y con la fórmula: XC = 1/(2x π x f x C) donde: - XC = reactancia capacitiva en ohmios - f = frecuencia en Hertz (Hz) - C = capacidad en Faradios (F)
La resistencia en serie equivalente (ESR)
El capacitor analizado en el párrafo anterior es ideal. En la realidad el capacitor tiene una resistencia en serie debido a varios factores: las placas metálicas, el dieléctrico o aislante, etc.. El ESR es el equivalente al factor de calidad Q de los inductores y mientras más pequeño sea mejor. Comportamiento en corriente alterna
En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del producto de la pulsación ( ) por la capacidad, C:
Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad en faradios (F), la reactancia resultará en ohmios.
Fig. 3: Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en un condensador.
Al conectar una CA senoidal v(t) a un condensador circulará una corriente i(t), también senoidal, que lo cargará, originando en sus bornes una caída de tensión, vc(t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v(t). Al decir que por el condensador "circula" una corriente, se debe puntualizar que, en realidad, dicha corriente nunca atraviesa su dieléctrico. Lo que sucede es que el condensador se carga y descarga al ritmo de la frecuencia de v(t), por lo que la corriente circula externamente entre sus armaduras.
Fig. 4: Diagrama fasorial.
El fenómeno físico del comportamiento del condensador en CA se puede observar en la figura 3. Entre los 0º y los 90º i(t) va disminuyendo desde su valor máximo positivo a medida que aumenta su tensión de carga v c(t), llegando a ser nula cuando alcanza el valor máximo negativo a los 90º, puesto que la suma de tensiones es cero (v c(t)+ v(t) = 0) en ese momento. Entre los 90º y los 180º v(t) disminuye, y el condensador comienza a descargarse, disminuyendo por lo tanto vc(t). En los 180º el condensador está completamente descargado, alcanzando i(t) su valor máximo negativo. De los 180º a los 360º el razonamiento es similar al anterior. De todo lo anterior se deduce que la corriente queda adelantada 90º respecto de la tensión aplicada. Considerando, por lo tanto, un condensador C, como el de la figura 2, al que se aplica una tensión alterna de valor:
De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, adelantada 90º ( π / 2) respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor:
donde forma polar:
.
Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en
Figura 5. Circuitos equivalentes de un condensador en CA.
Y operando matemáticamente:
Por lo tanto, en los circuitos de CA, un condensador ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria negativa:
En el condensador real, habrá que tener en cuenta la resistencia de pérdidas de su dieléctrico, R C, pudiendo ser su circuito equivalente, o modelo, el que aparece en la figura 5a) o 5b) dependiendo del tipo de condensador y de la frecuencia a la que se trabaje, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores.
El condensador en CA
Si en lugar de conectar el condensador a una fuente de corriente continua lo conectamos a una de corriente alterna, veremos que la polarización de las placas debe variar al ritmo del sentido de la corriente entregada por la fuente. En el semiciclo positivo las armaduras se polarizaran de una manera, y durante el semiciclo negativo deberán polarizarse en forma inversa. El dieléctrico se ve obligado a cambiar su polarización al mismo ritmo, lo que genera tensiones en el. Si la frecuencia es muy elevada, el dieléctrico será incapaz de seguir los cambios
a la misma velocidad, y su polarización disminuirá. De esto se deduce que la capacidad de un condensador disminuye cuando la frecuencia aumenta.
TIPOS DE CONDENSADORES PARA CORRIENTE ALTERNA Condensadores bipolares (para corriente alterna).
Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias. Un condensador bipolar es un condensador que tiene dos polaridades de ahí que es "BI"(dos) "POLAR"(polaridades). Esto también significa que es un condensador preparado para trabajar tanto con corriente alterna como con corriente continua con dos rangos de tensión máxima establecidos por el fabricante. Si lo usas con corriente continua, la tensión máxima entre sus bornes no debe superar los 100 Voltios (100VDC). En cambio si lo usas con corriente alterna, su tensión en bornes no debe superar los 35 Voltios (35VAC). Eso es lo que dice la etiqueta del fabricante generalmente ese tipo de condensadores se usa mucho en motores de alterna de Heladeras, ventiladores, lavarropas