La energía se almacena en un campo eléctrico.
Un condensador tiene electrodos conductores separados por un dieléctrico aislante. Aplicar una tensión provoca separación de cargas y almacena energía en el campo eléctrico.
La capacidad describe la carga almacenada por voltio, medida en faradios (F). Se utilizan habitualmente microfaradios (µF), porque un faradio es una unidad grande para muchos circuitos electrónicos comunes.
Dos electrodos, carga separada
- Electrodo positivo (+Q): un déficit de electrones respecto a su estado sin carga eléctrica.
- Electrodo negativo (−Q): un exceso igual de electrones en este ejemplo ideal inicialmente neutro.
- Dieléctrico: aislamiento entre los conductores. Las cargas separadas crean un campo eléctrico; el condensador completo puede seguir teniendo una carga neta nula.
Q = C × V describe la separación de carga. Aquí Q es la magnitud de la carga en un electrodo, C es la capacitancia y V es la magnitud de la tensión entre ellos. No significa que se hayan añadido Q culombios adicionales al condensador en su conjunto.
Para 1,000 µF a 24 V, Q = 0.001 × 24 = 0.024 C: +0.024 C en un electrodo y −0.024 C en el otro en este ejemplo ideal. Su suma es cero y, aun así, el campo almacena energía.
Carga y alimentación de una carga.
En un condensador ideal, circula corriente mientras cambia su tensión. Con tensión DC constante, la corriente ideal del condensador cae a cero; los dispositivos reales pueden seguir teniendo fugas.
«Circula corriente» se refiere al circuito conectado. En el modelo ideal, la carga no se conduce a través de la separación aislante: los cambios del campo eléctrico conectan el comportamiento eléctrico de ambos lados. Por eso un condensador puede responder a AC aunque bloquee una corriente estable de DC después de cargarse.
Su oposición a la AC sinusoidal depende de la frecuencia y de la capacitancia. Se trata de la reactancia capacitiva, una parte de la impedancia; en los circuitos de AC importa la distinción relacionada entre energía almacenada y devuelta, y potencia utilizada.
Por qué la carga y la descarga requieren tiempo.
Una resistencia limita la rapidez con que la carga puede entrar o salir de un condensador. En un circuito RC sencillo, la resistencia R y la capacitancia C determinan juntas la rapidez del cambio. Al principio la tensión cambia rápidamente y después más despacio.
La letra griega τ (tau) representa la constante de tiempo del circuito, medida en segundos. Con R = 1,000 Ω y C = 0.001 F, τ = 1 segundo.
Después de una constante de tiempo, la carga ha alcanzado aproximadamente el 63.2% de su tensión final. En el caso independiente de descarga, queda aproximadamente el 36.8% de la tensión inicial.
Carga desde 0 V hacia 24 V
Descarga desde una tensión inicial de 24 V
Una constante de tiempo no significa «terminado». Tras cinco constantes de tiempo, estas curvas ideales están cargadas aproximadamente al 99.3% o conservan alrededor del 0.7% de su tensión inicial. Una instalación real puede tener otras vías, energía almacenada y averías; el tiempo transcurrido por sí solo no demuestra que el equipo sea seguro.
La tensión importa además de la capacitancia.
1,000 µF = 0.001 F. La energía almacenada es ½ × C × V², por lo que ½ × 0.001 × 24² = 0.288 julios.
Duplicar la tensión cuadruplica la energía almacenada para una misma capacidad. La tensión nominal es un límite del componente, no una consigna que deba alcanzar todo circuito.
Alisado de alimentaciones y apoyo al bus de DC de un variador.
En una fuente de alimentación, un condensador puede alimentar la carga entre pulsos rectificados. En un VFD, los condensadores del enlace de DC ayudan a gestionar la alimentación intermedia de DC. Los condensadores también se utilizan en circuitos de filtrado y temporización.
Un condensador no constituye una alimentación de respaldo ilimitada. Su tensión cambia al transferir energía, y su tamaño y las condiciones del circuito afectan al tiempo durante el que puede alimentar una carga.
Los componentes reales tienen límites.
Los condensadores tienen resistencia, límites de temperatura y comportamiento de envejecimiento. Algunos tipos son polarizados y otros no. Igualar solo la capacidad no basta para seleccionar un repuesto.
Puede quedar energía almacenada tras retirar la alimentación externa. Que un variador esté parado o desconectado no demuestra que sus condensadores internos estén descargados.
Una mirada más cercana
La resistencia serie equivalente (ESR) modela parte de las pérdidas de un condensador real. La corriente de rizado a través de esas pérdidas produce calor. En un circuito sencillo de carga resistencia-condensador, la constante de tiempo es R × C; es un modelo matemático, no una regla de espera segura para equipos.
Para la gráfica ideal de carga, Vc(t) = Vs[1 − e^(−t/RC)] con tensión inicial del condensador cero; para la gráfica de descarga, Vc(t) = V₀e^(−t/RC). Aquí Vs es la tensión fija de la fuente de carga, V₀ es la tensión inicial de descarga, t es el tiempo transcurrido y e es aproximadamente 2.718. La corriente sigue i = C dVc/dt: cuanto mayor es la pendiente de la curva de tensión, mayor es la corriente. En el ejemplo ideal de carga, empieza en Vs/R = 24 mA y después cae exponencialmente. La carga y la tensión se aproximan a sus valores finales de forma asintótica, no mediante un corte brusco.
Compruebe lo que ha entendido
Si se duplica la tensión en el mismo condensador ideal, ¿se duplica la energía almacenada?
Mostrar la explicación
Se cuadruplica, porque la energía almacenada es proporcional al cuadrado de la tensión: E = ½CV².
Para seguir leyendo.
Lectura opcional para profundizar en esta lección.
- TDK: construcción y comportamiento de condensadores
Empiece por el diagrama de construcción y después las tres secciones de propiedades básicas. Explican visualmente la carga y el comportamiento AC; la relación con la frecuencia es una lectura adicional útil.
- OpenStax: condensadores y capacitancia
Las definiciones iniciales distinguen las cargas iguales y opuestas de los electrodos de la carga neta e introducen C = Q/V. Los cálculos geométricos posteriores son opcionales.
- OpenStax: circuitos RC
Lea las secciones de carga y descarga para consultar las ecuaciones exponenciales y la constante de tiempo. La deducción es opcional; las gráficas de tensión y corriente ayudan a explicar por qué el cambio se ralentiza con el tiempo.