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guias:iniciacion_a_la_electronica

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guias:iniciacion_a_la_electronica [2020/03/19 18:47] – [6.1.- ¿Qué es un condensador?] Jose Manuel Mariño Mariñoguias:iniciacion_a_la_electronica [2021/04/16 20:41] (actual) – editor externo 127.0.0.1
Línea 536: Línea 536:
 Un **condensador** es un dispositivo pasivo eléctrico que es capaz de **almacenar energía eléctrica en forma de campo eléctrico**. Se dice que los condensadores almacenan carga eléctrica aunque si nos ponemos exquisitos eso no es cierto, ya que el condensador en conjunto siempre va a tener una carga total neutra. A pesar de ello, se usa muchísimo la expresión de "almacenar carga" ya que sirve para entender su funcionamiento en un circuito eléctrico. Un **condensador** es un dispositivo pasivo eléctrico que es capaz de **almacenar energía eléctrica en forma de campo eléctrico**. Se dice que los condensadores almacenan carga eléctrica aunque si nos ponemos exquisitos eso no es cierto, ya que el condensador en conjunto siempre va a tener una carga total neutra. A pesar de ello, se usa muchísimo la expresión de "almacenar carga" ya que sirve para entender su funcionamiento en un circuito eléctrico.
  
-Un condensador se compone simplemente de dos conductores enfrentados y aislados entre sí por un material dieléctrico. Cuando conectamos los terminales del condensador a una batería, entre sus placas se establece un campo eléctrico, con cargas negativas y positivas concentradas en cada uno de sus electrodos (pero ojo, que la carga total del condensador sigue siendo neutra).+Un condensador se compone simplemente de dos conductores en forma de placa enfrentados y aislados entre sí por un material dieléctrico. Cuando conectamos los terminales del condensador a una batería, entre sus placas se establece un campo eléctrico, con cargas negativas y positivas concentradas en cada uno de sus electrodos (pero ojo, que la carga total del condensador sigue siendo neutra). Cuando hablamos de la carga o de la descarga de un condensador no estamos diciendo que el condensador pase a contener carga eléctrica ya que su carga siempre será neutra. Lo que ocurre es que el condensador se carga de energía haciendo que sus electrodos se carguen ambos con la misma carga pero de signo contario. La suma de la carga de ambos electrodos siempre será cero.
  
 La capacidad de un condensador depende directamente de la superficie de sus dos electrodos, e inversamente a la distancia que los separa. Para aumentar la capacidad de un condensador podemos aumentar dicha superficie, reducir su separación, o ambas cosas. Además, también influye el material usado como dieléctrico. Un condensador que utilice como dieléctrico láminas de polietileno tendrá 2,25 veces la capacidad que tendría si sólo utilizase el aire como aislante. La capacidad de un condensador depende directamente de la superficie de sus dos electrodos, e inversamente a la distancia que los separa. Para aumentar la capacidad de un condensador podemos aumentar dicha superficie, reducir su separación, o ambas cosas. Además, también influye el material usado como dieléctrico. Un condensador que utilice como dieléctrico láminas de polietileno tendrá 2,25 veces la capacidad que tendría si sólo utilizase el aire como aislante.
Línea 550: Línea 550:
  
 Pero vamos al meollo. Pero vamos al meollo.
 +
 +==== 6.2.- Carga de un condensador. ====
  
 ¿Qué ocurre cuando conectamos un condensador a una batería? ¿Qué ocurre cuando conectamos un condensador a una batería?
Línea 569: Línea 571:
   * Habíamos dicho que tras cerrar el interruptor comenzaba a circular una corriente de valor V/R amperios.   * Habíamos dicho que tras cerrar el interruptor comenzaba a circular una corriente de valor V/R amperios.
   * Habíamos dicho también que al circular corriente por el circuito, el condensador se iba cargando.   * Habíamos dicho también que al circular corriente por el circuito, el condensador se iba cargando.
-  * Esta acumulación <del>de carga</del> (¡¡¡ los condensadores no acumulan carga !!!) de energía hace que aparezca una diferencia de potencial entre las placas del condensador. Es decir, entre los terminales del condensador aparecerá una tensión V<sub>C</sub> que irá creciendo.+  * Cuando el condensador se carga, un electrodo acumula cargas positivas y el otro cargas negativas, con lo que aparece una diferencia de potencial entre las placas del condensador. Es decir, entre los terminales del condensador aparecerá una tensión V<sub>C</sub> que irá creciendo.
   * Al aparecer esta diferencia de potencial en el condensador, nuestro amigo Krichhoff nos dice que la tensión que habrá en la resistencia será ahora de ( V - V<sub>C</sub> ) / R.   * Al aparecer esta diferencia de potencial en el condensador, nuestro amigo Krichhoff nos dice que la tensión que habrá en la resistencia será ahora de ( V - V<sub>C</sub> ) / R.
   * Como podéis ver, la corriente después de un instante es menor que la que había en el momento inicial en que se cerró el interruptor.   * Como podéis ver, la corriente después de un instante es menor que la que había en el momento inicial en que se cerró el interruptor.
-  * A medida que transcurre el tiempo, el condensador va acumulando más <del>carga</del> (¡¡¡ energía !!!) y su tensión irá aumentando.+  * A medida que transcurre el tiempo, la carga en los electrodos del condensador va aumentando, y la tensión entre ellos irá aumentando.
   * A medida que el voltaje del condensador aumenta, el de la resistencia disminuye.   * A medida que el voltaje del condensador aumenta, el de la resistencia disminuye.
   * A medida que el voltaje de la resistencia disminuye, la intensidad que circula disminuye.   * A medida que el voltaje de la resistencia disminuye, la intensidad que circula disminuye.
-  * A medida que la intensidad disminuye, el condensador sigue <del>cargándose</del> (¡¡¡ almacenando energía !!!), pero **más lentamente**.+  * A medida que la intensidad disminuye, el condensador sigue cargándose, pero **más lentamente**.
   * Este comportamiento se repetirá indefinidamente hasta que la tensión en el condensador sea igual que en la batería, o dicho de otra forma, V = V<sub>C</sub>.   * Este comportamiento se repetirá indefinidamente hasta que la tensión en el condensador sea igual que en la batería, o dicho de otra forma, V = V<sub>C</sub>.
   * En ese momento, la intensidad será cero, y el condensador habrá terminado de cargarse.   * En ese momento, la intensidad será cero, y el condensador habrá terminado de cargarse.
Línea 587: Línea 589:
  
 Sí, sí, habéis leído bien; la intensidad nunca desaparece del todo. Esto implica que el condensador **nunca acaba de cargarse realmente**. Esto es así porque se trata de una curva exponencial, que disminuye indefinidamente pero sin acercarse nunca a su límite. Sin embargo, a efectos prácticos se da por hecho que el condensador está cargado cuando han transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** (no seáis impacientes, ya veremos después qué es la constante de tiempo). Sí, sí, habéis leído bien; la intensidad nunca desaparece del todo. Esto implica que el condensador **nunca acaba de cargarse realmente**. Esto es así porque se trata de una curva exponencial, que disminuye indefinidamente pero sin acercarse nunca a su límite. Sin embargo, a efectos prácticos se da por hecho que el condensador está cargado cuando han transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** (no seáis impacientes, ya veremos después qué es la constante de tiempo).
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 +Una vez desconectemos el condensador ya cargado del circuito, conservará indefinidamente su carga ya que ambos electrodos están aislados eléctricamente entre sí. Bueno, lo de indefinidamente aplicaría si se tratase de un condensador ideal. En la práctica (lo veremos más adelante), los condensadores se van descargando poco a poco debido a las características de los materiales de los que están hechos. Sin embargo, nos pueden dar algún susto si manipulamos condensadores que hace poco que se hayan cargado y que posean un potencial elevado, como los que podemos encontrar en los circuitos de alta tensión de los televisores antiguos (los que usan tubo de rayos catódicos).
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 +==== 6.3.- Descarga de un condensador. ====
  
 Ahora toca ver qué es lo que ocurre cuando descargamos el condensador. Supongamos que el condensador anterior, bien cargadito a una tensión V, nos lo llevamos a otro circuito como el siguiente: Ahora toca ver qué es lo que ocurre cuando descargamos el condensador. Supongamos que el condensador anterior, bien cargadito a una tensión V, nos lo llevamos a otro circuito como el siguiente:
Línea 601: Línea 608:
   * Al circular corriente por el circuito, las cargas de ambas placas del condensador se van cancelando.   * Al circular corriente por el circuito, las cargas de ambas placas del condensador se van cancelando.
   * La energía del condensador disminuye, y por lo tanto la diferencia de potencial que hay entre sus terminales.   * La energía del condensador disminuye, y por lo tanto la diferencia de potencial que hay entre sus terminales.
-  * Dado que la tensión en el condensador disminuye, también lo hace el voltaje en la resistencia.+  * Dado que la tensión en el condensador disminuye, también lo hace el voltaje en la resistencia porque está conectada al condensador.
   * Al bajar el voltaje en la resistencia, también disminuye la intensidad que circula por ella.   * Al bajar el voltaje en la resistencia, también disminuye la intensidad que circula por ella.
   * Al bajar la intensidad que circula por la resistencia, el condensador se va descargando cada vez más lentamente.   * Al bajar la intensidad que circula por la resistencia, el condensador se va descargando cada vez más lentamente.
Línea 612: Línea 619:
  
 Nuevamente vemos que la curva de descarga tiende a cero, pero matemáticamente nunca llega a ella. En teoría, el condensador nunca se descargará del todo. A efectos prácticos, la descarga estará completa cuando hayan transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** del circuito. Nuevamente vemos que la curva de descarga tiende a cero, pero matemáticamente nunca llega a ella. En teoría, el condensador nunca se descargará del todo. A efectos prácticos, la descarga estará completa cuando hayan transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** del circuito.
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 +==== 6.4.- Costante de tiempo de un circuito RC. ====
  
 ¿Pero qué demonios es eso de la constante de tiempo? ¿Pero qué demonios es eso de la constante de tiempo?
Línea 618: Línea 628:
 Dado que, como ya hemos visto, la intensidad no permanece constante sino que decrece exponencialmente, **el tiempo de carga/descarga de un circuito RC se considera que es de 5τ**, a efectos prácticos (matemáticamente la carga/descarga no termina nunca). Dado que, como ya hemos visto, la intensidad no permanece constante sino que decrece exponencialmente, **el tiempo de carga/descarga de un circuito RC se considera que es de 5τ**, a efectos prácticos (matemáticamente la carga/descarga no termina nunca).
  
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 +==== 6.5.- Energía almacenada en un condensador. ====
  
 Vamos a hablar ahora de la energía. Decíamos al principio que los condensadores no realmente no almacenan carga porque su carga total siempre es neutra, sino que almacenan energía separando las cargas entre sus dos electrodos y estableciendo un campo eléctrico entre ellos. ¿Cuánta energía es capaz de almacenar un condensador? Vamos a hablar ahora de la energía. Decíamos al principio que los condensadores no realmente no almacenan carga porque su carga total siempre es neutra, sino que almacenan energía separando las cargas entre sus dos electrodos y estableciendo un campo eléctrico entre ellos. ¿Cuánta energía es capaz de almacenar un condensador?
Línea 642: Línea 654:
 E = 1/2 · C · V<sup>2</sup> = 1/2 · Q · V = 1/2 · Q<sup>2</sup> / C E = 1/2 · C · V<sup>2</sup> = 1/2 · Q · V = 1/2 · Q<sup>2</sup> / C
 </WRAP> </WRAP>
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 +Como podemos deducir de estas expresiones, la capacidad de un condensador es directamente proporcional a la carga en sus placas, e inversamente proporcional al potencial entre ellas. Además, la energía acumulada aumenta con el cuadrado del voltaje: un mismo condensador tendrá cuatro veces más energía acumulada si lo cargamos al doble del voltaje.
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 +==== 6.6.- El condensador real. ====
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 +Como no hay nada perfecto en este mundo, tampoco lo son los condensadores reales. Como ya avisábamos en el capítulo sobre el proceso de carga, si nuestro condensador fuese ideal podríamos guardar el condensador una vez cargado de forma indefinida, y éste conservaría su energía. Pero esto en realidad no es así.
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 +Veamos cómo es el circuito equivalente de un condensador real:
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 +[[ PONER EL ESQUEMA DE UN CONDENSADOR REAL CON RESISTENCIA SERIE Y RESISTENCIA PARALELO ]]
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 +El primer desengaño es que los dos electrodos del condensador no están completamente aislados. Siempre tendremos presente una resistencia parásita conectada entre ellos, que los irá descargando poco a poco. Esto se debe a que el dieléctrico utilizado para mantener separados los electrodos nunca va a ser un aislante perfecto. Aunque muy pequeña, siempre habrá una pequeña corriente eléctrica circulando entre los dos terminales del condensador debido al dieléctrico. Normalmente podemos obviar esta resistencia parásita, ya que como hemos dicho es de valores muy altos y por regla general no es necesario tenerla en cuenta al diseñar nuestros circuitos.
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 +La otra resistencia que podemos ver en nuestro condensador real es la resistencia equivalente en serie, o **ESR (Equivalent Series Resistance)**. Esta resistencia sí puede tener cierta relevancia en según qué circuitos. Los electrodos de un condensador no dejan de ser conductores eléctricos, y como tales ofrecen una resistencia al paso de la corriente eléctrica. Si bien esta resistencia es baja, a veces puede no ser despreciable. Otras veces no se trata de si la ESR es alta o no, sino de si es comparable a la resistencia que ofrece el propio condensador (esto lo tendremos que ver más adelante, cuando veamos la corriente alterna).
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 +Tanto la resistencia parásita en paralelo como la ESR dependen de cómo esté fabricado el condensador. El tipo de dieléctrico, el tamaño del condensador, la superficie de los electrodos, etc...
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 +Otro aspecto a tener en cuenta, no ya al diseñar, sino al elegir el tipo de condensador que necesitamos, es la **tensión de trabajo**. En un condensador real no podemos aplicar la tensión que queramos a los terminales de un condensador, porque todo material tiene una tensión de ruptura dieléctrica límite. Dicho de otra forma, más tarde o más temprano, si vamos subiendo la tensión en un condensador llegará un momento en el que saltará una chispa entre ambos electrodos. Eso se debe a que el dieléctrico ya no es capaz de soportar el intenso campo eléctrico que se genera, y sus moléculas se ionizan permitiendo que circule la corriente eléctrica por ellos. Es lo mismo que ocurre cuando cae un rayo durante una tormenta: la tierra y las nubes son los electrodos de un gran condensador, y el dieléctrico es el aire; cuando la tensión entre ambos extremos es tan alta que el dieléctrico ya no es capaz de seguir manteniéndolos aislados, salta una chispa (el rayo). En función del tipo de condensador, la ruptura del dieléctrico puede suponer la destrucción por completo del componente.
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 +==== 6.7.- Comportamiento de un condensador en continua. ====
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 +Resulta un poco redundante hablar por separado del comportamiento en continua y del comportamiento en alterna de un condensador, porque su comportamiento es siempre el mismo. Sin embargo, suele resultar útil asociar alguna analogía que nos ayude a interiorizar la función que cumple el condensador en nuestros circuitos,
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 +Cuando hablamos del comportamiento en continua de un condensador nos referimos a aquellos circuitos en los que su misión es acumular <del>carga</del> energía. ¿Y de qué circuitos hablamos? pues por regla general, cuando el condensador va conectado directamente a la alimentación de un circuito.
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 +Cuando un condensador está conectado directamente a las líneas de alimentación, suele ser por dos razones:
 +  * Porque la alimentación sufre fluctuaciones y necesitamos que el condensador aporte la energía cuando la tensión de alimentación disminuye.
 +  * Porque queremos evitar interferencias o picos rápidos de tensión, y que el condensador estabilice estas fluctuaciones rápidas. Este segundo motivo va muy en línea con el siguiente apartado, donde hablamos del comportamiento en alterna.
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 +En cuanto al primero de los motivos anteriores, el uso más típico son los condensadores de filtrado en un circuito de alimentación. Sin pretender adelantar temario, vamos a ver un circuito de rectificación básico, la llamada **rectificación de media onda**:
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 +[[ PONER ESQUEMA RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA ]]
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 +En el circuito anterior, la misión del condensador es la de almacenar energía en los periodos en los que el diodo conduce, para liberarla en los periodos en los que el diodo no conduce. El condensador hace las veces de "depósito" para que nunca baje el voltaje en el circuito y que la corriente circule siempre. Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, menor será la bajada de tensión en los periodos en los que el diodo está en **off**. O volviendo al símil del depósito de agua, cuanto mayor sea nuestro depósito, menos bajará el nivel de agua hasta que el diodo vuelva a abrir el grifo.
 +
 +La segunda de las razones que exponíamos antes podrían corresponder con este circuito:
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 +[[ PONER ESQUEMA DE UNA FUENTE DE TENSIÓN CON UNA RESISTENCIA EN SERIE, ALIMENTANDO A UN CIRCUITO PERO SIN CONDENSADOR DE FILTRADO ]]
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 +En este circuito, la fuente de tensión y la resistencia que tiene conectada en serie pretende representar a un sistema de alimentación cuya capacidad de suministrar corriente es limitada. Decimos que es limitada, porque si aumenta mucho la demanda de corriente, la tensión en sus bornes baja debido a la caída de tensión que origina la resistencia serie.
 +
 +Ahora supongamos que el circuito al que alimentamos tiene un comportamiento por el cual en ciertos momentos se producen picos de corriente elevados. Durante estos picos de corriente la tensión en el circuito bajará considerablemente, y eso seguramente hará que nuestro circuito no se comporte correctamente. En estos casos lo que se suele hacer es poner condensadores no ya para estabilizar la tensión, que de por sí podría ser ya estable, sino para poder hacer frente a estos picos de demanda de corriente.
 +
 +El circuito anterior, con el correspondiente condensador, quedaría así:
 +
 +[[ PONER ESQUEMA DE UNA FUENTE DE TENSIÓN CON UNA RESISTENCIA EN SERIE, ALIMENTANDO A UN CIRCUITO CON UN CONDENSADOR DE FILTRADO ]]
 +
 +Ahora, cada vez que se produzca un pico de corriente, será el condensador el encargado de suministrarla. La tensión en el condensador bajará, claro, pero lo hará en menor medida que cuando no teníamos ningún condensador. El tiempo entre que ocurre un pico de corriente y el siguiente también deberá ser suficiente para que el condensador recupere la energía perdida, o de lo contrario no serviría de mucho.
  
  
-==== 6.2.- Comportamiento de un condensador en continua. ==== 
  
 +Así que quedémonos con la idea de que usamos los condensadores en continua como reservas de energía, para "suavizar" las fluctuaciones en la tensión de alimentación o para poder hacer frente a picos de corriente que el sistema de alimentación no podría satisfacer.
  
-==== 6.3.- Comportamiento de un condensador en alterna. ====+==== 6.8.- Comportamiento de un condensador en alterna. ====
  
  
-==== 6.4.- Condensador equivalente en serie. ====+==== 6.9.- Condensador equivalente en serie. ====
  
  
-==== 6.5.- Condensador equivalente en paralelo. ====+==== 6.10.- Condensador equivalente en paralelo. ====
  
  
guias/iniciacion_a_la_electronica.1584643633.txt.gz · Última modificación: 2021/04/16 20:38 (editor externo)

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