4.2: Circuitos de Capacitores de CA

Capacitores Vs. Resistencias

Los capacitores no se comportan igual que las resistencias. Mientras que las resistencias permiten un flujo de electrones a través de ellas directamente proporcional a la caída de voltaje, los condensadores se oponen a los cambios de voltaje al dibujar o suministrar corriente a medida que se cargan o descargan al nuevo nivel de voltaje. El flujo de electrones “a través” de un condensador es directamente proporcional a la tasa de cambio de voltaje a través del condensador. Esta oposición al cambio de voltaje es otra forma de reactancia, pero una que es precisamente opuesta a la que exhiben los inductores.

Características del circuito del condensador

Expresado matemáticamente, la relación entre la corriente “a través” del condensador y la tasa de cambio de voltaje a través del condensador es como tal:

La expresión de/dt es una de cálculo, es decir, la tasa de cambio del voltaje instantáneo (e) a lo largo del tiempo, en voltios por segundo. La capacitancia (C) está en Faradios, y la corriente instantánea (i), por supuesto, está en amperios. A veces encontrarás la tasa de cambio instantáneo de voltaje a lo largo del tiempo expresada como dv/dt en lugar de de/dt: usando la letra minúscula “v” en su lugar o “e” para representar voltaje, pero significa exactamente lo mismo. Para mostrar lo que sucede con la corriente alterna, analicemos un circuito de condensador simple: (Figura a continuación)

Circuito capacitivo puro: voltaje del condensador retarda la corriente del condensador en 90 ^o

Si tuviéramos que trazar la corriente y voltaje para este circuito muy sencillo, se vería algo así: (Figura abajo)

Formas de onda de circuito capacitivo puro.

Recuerde, la corriente a través de un condensador es una reacción contra el cambio de voltaje a través de él. Por lo tanto, la corriente instantánea es cero siempre que el voltaje instantáneo esté en un pico (cambio cero, o pendiente de nivel, en la onda sinusoidal de voltaje), y la corriente instantánea está en un pico donde el voltaje instantáneo está en cambio máximo (los puntos de pendiente más pronunciada en la onda de voltaje, donde cruza la línea cero). Esto da como resultado una onda de voltaje que está -90 ^o desfasada con la onda actual. Al mirar la gráfica, la onda de corriente parece tener una “ventaja” en la onda de voltaje; la corriente “conduce” la tensión, y la tensión “se queda” por detrás de la corriente. (Figura abajo)

El voltaje retarda la corriente 90 ^o en un circuito capacitivo puro.

Como habrás adivinado, la misma onda de energía inusual que vimos con el circuito inductor simple también está presente en el circuito condensador simple: (Figura a continuación)

En un circuito capacitivo puro, la potencia instantánea puede ser positiva o negativa.

Al igual que con el circuito inductor simple, el desplazamiento de fase de 90 grados entre voltaje y corriente da como resultado una onda de potencia que alterna por igual entre positivo y negativo. Esto significa que un condensador no disipa la energía ya que reacciona contra los cambios de voltaje; simplemente absorbe y libera energía, alternativamente.

Reactancia de un Capacitor

La oposición de un condensador al cambio de voltaje se traduce en una oposición a la tensión alterna en general, que por definición siempre está cambiando en magnitud y dirección instantáneas. Para cualquier magnitud dada de voltaje de CA a una frecuencia dada, un condensador de tamaño dado “conducirá” una cierta magnitud de corriente de CA. Así como la corriente a través de una resistencia es una función del voltaje a través de la resistencia y la resistencia ofrecida por la resistencia, la corriente de CA a través de un condensador es una función del voltaje de CA a través de él, y la reactancia ofrecida por el condensador. Al igual que con los inductores, la reactancia de un condensador se expresa en ohmios y se simboliza por la letra X (o X _C para ser más específicos).

Dado que los condensadores “conducen” la corriente en proporción a la tasa de cambio de voltaje, pasarán más corriente para voltajes que cambian más rápido (ya que se cargan y descargan a los mismos picos de voltaje en menos tiempo), y menos corriente para voltajes de cambio más lento. Lo que esto significa es que la reactancia en ohmios para cualquier condensador es inversamente proporcional a la frecuencia de la corriente alterna. (Tabla a continuación)

Reactancia de un condensador de 100 uF:

Tenga en cuenta que la relación entre la reactancia capacitiva y la frecuencia es exactamente opuesta a la de la reactancia inductiva. La reactancia capacitiva (en ohmios) disminuye con el aumento de la frecuencia de CA. Por el contrario, la reactancia inductiva (en ohmios) aumenta con el aumento de la frecuencia de CA. Los inductores se oponen a corrientes cambiantes más rápidas al producir mayores caídas de voltaje; los condensadores se oponen a caídas de voltaje cambiantes más rápidas al permitir

Al igual que con los inductores, el término 2πf de la ecuación de reactancia puede ser reemplazado por la letra griega minúscula Omega (ω), que se conoce como la velocidad angular del circuito de CA. Así, la ecuación X _C = 1/ (2πFC) también podría escribirse como X _C = 1/ (ΩC), con ω fundido en unidades de radianes por segundo.

La corriente alterna en un circuito capacitivo simple es igual al voltaje (en voltios) dividido por la reactancia capacitiva (en ohmios), así como la corriente alterna o continua en un circuito resistivo simple es igual al voltaje (en voltios) dividido por la resistencia (en ohmios). El siguiente circuito ilustra esta relación matemática con el ejemplo: (Figura abajo)

Reactancia capacitiva.

No obstante, hay que tener en cuenta que el voltaje y la corriente no están en fase aquí. Como se mostró anteriormente, la corriente tiene un desplazamiento de fase de +90 ^o con respecto a la tensión. Si representamos matemáticamente estos ángulos de fase de voltaje y corriente, podemos calcular el ángulo de fase de la oposición reactiva del condensador a la corriente.

El voltaje retarda la corriente 90 ^o en un condensador.

Matemáticamente, decimos que el ángulo de fase de la oposición de un condensador a la corriente es de -90 ^o, lo que significa que la oposición de un condensador a la corriente es una cantidad imaginaria negativa. (Figura anterior) Este ángulo de fase de oposición reactiva a la corriente adquiere una importancia crítica en el análisis de circuitos, especialmente para circuitos complejos de CA donde la reactancia y la resistencia interactúan. Resultará beneficioso representar la oposición de cualquier componente a la corriente en términos de números complejos, y no solo de cantidades escalares de resistencia y reactancia.

Revisar

• La reactancia capacitiva es la oposición que un condensador ofrece a la corriente alterna debido a su almacenamiento de fase desplazada y liberación de energía en su campo eléctrico. La reactancia está simbolizada por la letra mayúscula “X” y se mide en ohmios al igual que la resistencia (R).
• La reactancia capacitiva se puede calcular usando esta fórmula: X _C = 1/ (2πFC)
• La reactancia capacitiva disminuye con el aumento de la frecuencia. En otras palabras, cuanto mayor es la frecuencia, menos se opone (cuanto más “conduce”) al flujo de CA de electrones.