16.2: Respuesta Transitoria del Capacitor

Debido a que los capacitores almacenan energía en forma de campo eléctrico, tienden a actuar como pequeñas baterías de celdas secundarias, pudiendo almacenar y liberar energía eléctrica. Un condensador completamente descargado mantiene cero voltios a través de sus terminales, y un condensador cargado mantiene una cantidad constante de voltaje en sus terminales, al igual que una batería. Cuando los condensadores se colocan en un circuito con otras fuentes de voltaje, absorberán energía de esas fuentes, así como una batería de celda secundaria se cargará como resultado de estar conectada a un generador. Un condensador completamente descargado, que tiene un voltaje terminal de cero, actuará inicialmente como un cortocircuito cuando se conecta a una fuente de voltaje, atrayendo la corriente máxima a medida que comienza a construir una carga. Con el tiempo, el voltaje del terminal del condensador aumenta para cumplir con el voltaje aplicado de la fuente, y la corriente a través del condensador disminuye correspondientemente. Una vez que el condensador ha alcanzado el voltaje completo de la fuente, dejará de extraer corriente de él y se comportará esencialmente como un circuito abierto.

Cuando el interruptor se cierra por primera vez, el voltaje a través del condensador (que nos dijeron que estaba completamente descargado) es de cero voltios; así, primero se comporta como si se tratara de un cortocircuito. Con el tiempo, el voltaje del condensador aumentará a la misma tensión de la batería, terminando en una condición en la que el condensador se comporta como un circuito abierto. La corriente a través del circuito está determinada por la diferencia de voltaje entre la batería y el condensador, dividida por la resistencia de 10 kΩ. A medida que el voltaje del condensador se acerca al voltaje de la batería, la corriente se acerca a Una vez que el voltaje del condensador haya alcanzado los 15 voltios, la corriente será exactamente cero. Veamos cómo funciona esto usando valores reales:

El acercamiento del voltaje del condensador a 15 voltios y el acercamiento de la corriente a cero a lo largo del tiempo es lo que un matemático llamaría asintótico: es decir, ambos se acercan a sus valores finales, cada vez más cerca con el tiempo, pero nunca llegan exactamente a sus destinos. Para todos los propósitos prácticos, sin embargo, podemos decir que el voltaje del condensador eventualmente alcanzará los 15 voltios y que la corriente eventualmente será igual a cero.

Usando el programa de análisis de circuitos SPICE, podemos trazar esta acumulación asintótica de voltaje del condensador y decaimiento de la corriente del condensador en una forma más gráfica (la corriente del condensador se traza en términos de caída de voltaje a través de la resistencia, usando la resistencia como derivación para medir la corriente):

Como pueden ver, he usado el comando .plot en la lista de redes en lugar del más familiar. comando print. Esto genera una gráfica pseudo-gráfica de figuras en la pantalla de la computadora usando caracteres de texto. SPICE traza gráficas de tal manera que el tiempo está en el eje vertical (bajando) y la amplitud (voltaje/corriente) se grafica en la horizontal (derecha=más; izquierda=menos). Observe cómo el voltaje aumenta (a la derecha de la parcela) muy rápidamente al principio, luego disminuyendo a medida que pasa el tiempo. La corriente también cambia muy rápidamente al principio y luego se nivela a medida que pasa el tiempo, pero se acerca al mínimo (izquierda de la escala) mientras que el voltaje se acerca al máximo.

Revisar

• Los capacitores actúan como baterías de celdas secundarias cuando se enfrentan a un cambio repentino en el voltaje aplicado: inicialmente reaccionan produciendo una corriente alta que se estrecha con el tiempo.
• Un condensador completamente descargado inicialmente actúa como un cortocircuito (corriente sin caída de voltaje) cuando se enfrenta a la aplicación repentina de voltaje. Después de cargarse completamente a ese nivel de voltaje, actúa como un circuito abierto (caída de voltaje sin corriente).
• En un circuito de carga de resistencia-condensador, el voltaje del condensador va de la nada a la tensión de fuente completa mientras que la corriente va de máximo a cero, ambas variables cambian más rápidamente al principio, acercándose a sus valores finales cada vez más lentamente a medida que pasa el tiempo.