Electrónica: conceptos, definiciones, leyes, teoremas

El condensador / capacitor y la corriente directa

El condensador - capacitor

El capacitor es fabricado de muchas formas y materiales, pero sin importar como haya sido construido, siempre es un dispositivo con dos placas separadas por un material aislante.

Si se conecta una batería a un capacitor, circulará por él unacorriente continua. Circula una corriente de los terminales de la fuente hacia las placas del capacitor.

- El terminal positivo de la fuente saca electrones de la placa superior y la carga positivamente.
- El terminal negativo llena de electrones la placa inferior y la carga negativamente.

Ver en el diagrama: el flujo de electrones cargando las placas delcapacitor.

Esta situación se mantiene hasta que el flujo de electrones se detiene (la corriente deja de circular) comportándose el capacitorcomo un circuito abierto para la corriente continua. (no permite el paso de corriente)

Normalmente se dice que un capacitor no permite el paso de la corriente continua.

La corriente que circula y que se comenta en anteriores párrafos es una corriente que varía en el tiempo (corriente que si puede atravesar uncapacitor), desde un valor máximo a un valor de 0 amperios, momento en que ya no hay circulación de corriente.

Esto sucede en un tiempo muy breve y se llama "transitorio"

A la cantidad de carga que es capaz de almacenar un capacitor se le llama "capacitancia" o "capacidad"

El valor de la capacitancia depende de las características físicas del capacitor.

- A mayor área de las placas, mayor capacitancia
- A menor separación entre las placas, mayor capacitancia
- El tipo de dieléctrico o aislante que se utilice entre las placas afecta el valor de la capacitancia.

El aislante o dieléctrico tiene el objetivo de aumentar el valor de la capacitancia del capacitor.

Cuando se coloca un dieléctrico, este adquiere por conducción una carga opuesta a la carga de las placas, disminuyendo la carga neta del dispositivo y así permite la llegada de más cargas a las placas

Permitividad

Hay diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos, con diferentes grados de permitividad (diferentes grados de capacidad de establecimiento de un campo eléctrico).

A mayor permitividad, mayor es la capacidad que permite obtener el dieléctrico.

La capacidad de calcula con la fórmula: C = (Er x A) / d.

Donde:
- C = capacidad
- Er = permitividad
- A = área de placas
- d = separación entre placas.

La unidad de medida del capacitor / condensador es el Faradio, pero esta unidad es grande y es más común utilizar:
- el milifaradio (mF),
- el microfaradio (uF),
- el nanoFaradio (nF) y
- el picoaradio (pF).
Ver definición de unidades comunes.

Las principales características eléctricas de un capacitor son su capacidad y su máximo voltaje entre placas.

Hay dos tipos de capacitores:

- Capacitores Fijos: Los de papel, plástico, cerámica y los electrolíticos
- Capacitores variables: los giratorios y los de ajuste (Trimmer).

Corriente alterna en circuitos capacitivos

A diferencia en del comportamiento de un capacitor con la corriente continua (donde no hay paso de corriente), el paso de la corriente alterna por elcapacitor si ocurre.

Otra característica del paso de unacorriente alterna en un capacitores 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 voltajeestá 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 uninstante 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 lacorriente 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.

Proceso de carga de un capacitor / condensador

Un capacitor / condensador es un dispositivo que al aplicársele una fuente de alimentación de corriente continuase comporta de una manera especial. Ver la figura.

Cuando el interruptor se cierra (Ver: A en el gráfico arriba), la corriente I aumenta bruscamente a su valor máximo (como un cortocircuito) y tiene el valor de I = E / R amperios (como si el capacitor / condensador no existiera momentáneamente en este circuito RC), y poco a poco esta corriente va disminuyendo hasta tener un valor de cero (ver el diagrama inferior)

El voltaje en el capacitor no varía instantáneamente y sube desde 0 voltios hasta E voltios (E es el valor de la fuente de corriente directa conectado en serie con R y C, ver diagrama).

El tiempo que se tarda el voltaje en el condensador (Vc) en pasar de 0 voltios hasta el 63.2 % del voltaje de la fuente está dato por la fórmula: T = RxC. Donde el resistor R está en Ohmios, elcapacitor C en milifaradios y el resultado estará en milisegundos.

Después de 5 x T (5 veces T) el voltaje ha subido hasta un 99.3 % de su valor final. Al valor de T se le llama: constante de tiempo

Al analizar los dos gráficos se observa que están divididos en una parte transitoria y una parte estable. Los valores de Ic y Vc varían sus valores en la parte transitoria (aproximadamente 5 veces la constante de tiempo T), pero no así en la parte estable.

Los valores de Vc e Ic en cualquier momento se pueden obtener con las siguientes fórmulas:

- Vc = E + ( Vo – E) x e^{- t/T}
donde Vo es el voltaje inicial del condensador (en muchos casos es 0 Voltios)

- Ic = (E – Vo) x e^-t/T/R
donde Vo es el voltaje inicial del condensador (en muchos casos es 0 Voltios)

- VR = E x e^-t/T
donde: T = R x C

Nota: Los términos condensador y capacitor se utilizan como sinónimos.

Un condensador / capacitor en uncircuito RC serie no se descargainmediatamente cuando es desconectada de una fuente de alimentación de corriente directa (ver interruptor en el gráfico)

Cuando el interruptor pasa de la posición A a la posisión B, el voltaje en el condensador Vc empieza a descenderdesde Vo (voltaje inicial en elcondensador) hasta tener 0 voltios de la manera que se ve en el gráfico inferior.

La corriente tendrá un valor máximo inicial de Vo/R y la disminuirá hasta llegar a 0 amperios. (ver gráfico inferior)

La corriente que pasa por la resistencia y el condensador es la misma. Acordarse que el un circuitoen serie la corriente es la misma por todos los elementos.

El valor de Vc (tensión en el condensador) para cualquier instante: Vc = Vo x e^{-t / T}

El valor de I (corriente que pasa por R y C) en cualquier instante: I = -(Vo / R) e^{-t / T}

Donde: T = RC es la constante de tiempo

Nota: Si el condensador había sido previamente cargado hasta un valor E, hay que reemplazar, en las fórmulas, el valor de Vo con el valor de E.