CONDENSADOR ELECTRICO

CONDENSADOR ELECTRICO CONCEPTO Un condensador o capacitador es un dispositivo que sirve para almacenar carga y energía. Está construido por dos conductores aislados uno del otro, que poseen cargas iguales y opuestas. Los condensadores tienen múltiples aplicaciones. El mecanismo de iluminación (“flash”) de las cámaras fotográficas poseen un condensador que almacena la energía necesaria para proporcionar un destello súbito de luz. Los condensadores también se utilizan para suavizar las pequeñas ondas que surgen cuando la corriente alterna (el tipo de corriente que suministra un enchufe domestico se convierte en continua en una fuente de potencia, tal como la utilizada para cargar la radio cuando las pilas están bajas de tensión. HISTORIA DE LOS CONDENSADORES El primer condensador utilizado para almacenar grandes cargas eléctricas fue una botella con una lámina de oro en su cara interior y exterior que se llamó botella de Leyden. Fue inventada en el siglo XVIII en Leyden (Holanda) cuando estudiando los efectos de las cargas eléctricas sobre las personas y los animales, uno de aquellos experimentadores tuvo la idea de almacenar una gran cantidad de carga en una botella de agua. Para ello sostenía la botella en una mano mientras la carga procedente e un generador electroestático era conducido hasta el agua por medio de una cadena. Cuando trató de sacar la cadena de agua con la otra mano sufrió una sacudida eléctrica que le dejó inconsciente. Después de muchos experimentos se descubrió que la mano que sostenía la botella podía reemplazarse por hojas metálicas que recubrían las superficies interior y exterior de la botella. Benjamín Franklin comprobó que el dispositivo para almacenar cargas no debía tener necesariamente la forma de botella y utilizó en su lugar vidrios de ventana recubiertos de hojas metálicas, que se llamaron vidrios de Franklin. Con varios de estos vidrios conectados en paralelo, Franklin almacenó una gran carga y con ello trató de matar un pavo. En su lugar, sufrió él mismo una fuerte descarga. Más tarde, Franklin escribió: “Trataba de matar a un pavo y por poco mate a un gusano”. FUNCIONAMIENTO La función del condensador, como hemos dicho anteriormente, es la de almacenar energía eléctrica. El condensador está cargado cuando se iguala la tensión Uc entre las placas del condensador y la tensión de alimentación Uca . El movimiento de electrones entre las placas o armaduras del condensador es la corriente eléctrica capacitiva I C que fluye por las líneas y suministra energía eléctrica al condensador, provocando la aparición de un campo eléctrico entre las placas del condensador. Si se interrumpe I C la energía queda almacenada en el campo eléctrico, esto es, en el condensador. La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóvileseléctricos. El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula: En donde: : Capacitancia o capacidad : Carga eléctrica almacenada en la placa 1. : Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2. Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrólisis. ENERGIA ALMACENADA Cuando aumenta la diferencia de potencial entre sus terminales, el condensador almacena carga eléctrica debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior; cuando esta disminuye, el condensador devuelve dicha carga al circuito. Matemáticamente se puede obtener que la energía, almacenada por un condensador con capacidad , que es conectado a una diferencia de potencial, viene dada por: Fórmula para cualquier valor de tensión inicial y tensión final. Donde q1 es la carga inicial. q2 es la carga final. V1 es la tensión inicial. V2 es la tensión final. Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes. CARGA Y DESCARGA Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando. Carga Descarga Dónde: V(t) es la tensión en el condensador. Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador. Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen estacionario t>=4RC) entre las placas del condensador. I(t) la intensidad de corriente que circula por el circuito. RC es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en Ohmios, llamada constante de tiempo EN CORRIENTE ALTERNA En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del producto de la pulsación () por la capacidad, C: Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad en faradios (F), la reactancia resultará en ohmios. ASOCIACIONES DE CONDENSADORES Los condensadores pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie: . Asociación serie general. Y para la asociación en paralelo: Asociación paralelo general. Es decir, el sumatorio de todas las capacidades de los condensadores conectados en paralelo. Es fácil demostrar estas dos expresiones, para la primera solo hay que tener en cuenta que la carga almacenada en las placas es la misma en ambos condensadores (se tiene que inducir la misma cantidad de carga entre las placas y por tanto cambia la diferencia de potencial para mantener la capacitancia de cada uno), y por otro lado en la asociación en "paralelo", se tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas tiene que ser la misma (debido al modo en el que están conectados), así que cambiará la cantidad de carga. Como esta se encuentra en el numerador () la suma de capacidades será simplemente la suma algebraica. También vale recordar que el cálculo de la capacidad equivalente en paralelo es similar al cálculo de la resistencia de dos dispositivos en serie, y la capacidad o capacitancia en serie se calcula de forma similar a la resistencia en paralelo. CONDENSADORES VARIABLES. Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su capacidad. En el caso de un condensador plano, la capacidad puede expresarse por la siguiente ecuación: Dónde: Es la permitividad del vacío ≈ 8,854187817... × 10−12F·m−1 Es la constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctrico entre las placas; A es el área efectiva de las placas; Y d es la distancia entre las placas o espesor del dieléctrico. Para tener condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres últimas expresiones cambien de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento. Otro tipo de condensador variable se presenta en los diodos Varicap INFLUENCIA DE LA TENSION EN EL CONDENSADOR TENSION CONTINUA En el momento de conectar un condensador a una tensión continua UCC, la corriente es de mucha intensidad, estando limitada por la resistencia óhmica prácticamente despreciable del condensador. Al aumentar la tensión entre las placas del condensador la corriente disminuye paulatinamente. Al terminar el proceso de carga la intensidad de corriente se hace cero. En régimen permanente y en tensión continua, el condensador se considera un circuito abierto. En el proceso de descarga del condensador, la tensión y la corriente se reducen en la misma proporción, alcanzando el valor cero simultáneamente. El tiempo de carga y descarga está en función directa de la capacidad y de la resistencia del circuito, de forma que variando la resistencia del circuito podemos acortar o aumentar el proceso de carga y descarga de un condensador. La constante de tiempo τ es el tiempo que invierte un condensador en adquirir el 63% de la carga de la tensión aplicada y se define como: τ = R · C R = Ohmios ( Ω ) C = Faradios (F) Teóricamente la carga o descarga total de un condensador se produce tras el transcurso de un tiempo infinito, ya que la función matemática que lo define llega al límite de manera asintótica, pero en la práctica en un intervalo de 5 veces el condensador se encuentra completamente cargado o descargado. TENSION ALTERNA Cuando se conecta un condensador a una tensión alterna, las placas se cargan positiva y negativamente de manera alternativa y periódica circulando una corriente alterna. El condensador se carga y descarga periódicamente por lo que consideraremos los dos procesos simultáneamente al circular por la red una corriente alterna. Este proceso periódico significa una inversión en el sentido de la corriente, cuando la intensidad pasa por cero, al igual que el circuito en corriente continua, el condensador actúa como una resistencia finita medida en ohmios (Ω): f = frecuencia (Hz) C = Faradios (F) El paso de la intensidad por el punto cero indica el final del proceso de carga en el condensador, que estará cargado al final de la semionda positiva de la curva de corriente para un determinado valor de la tensión +Uca y al final de la semionda negativa de la curva de corriente para un valor de la tensión de -Uca . El proceso de descarga se produce en el momento en que la intensidad de corriente alcanza su valor máximo, en ese instante el valor de la tensión tiende a cero. COMPORTAMIENTO IDEAL Y REAL El condensador ideal (figura 1) puede definirse a partir de la siguiente ecuación diferencial: Donde C es la capacidad, u(t) es la función diferencia de potencial aplicada a sus terminales e i(t) la corriente resultante que circula. Fig. 1: Condensador ideal. Un condensador real en CC (DC en inglés) se comporta prácticamente como uno ideal, es decir, como un circuito abierto. Esto es así en régimen permanente ya que en régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con condensador, suceden fenómenos eléctricos transitorios que inciden sobre la d.d.p. en sus bornes (ver circuitos serie RL y RC). COMPORTAMIENTO EN CORRIENTE ALTERNA Al conectar una CA sinusoidal v(t) a un condensador circulará una corriente i(t), también sinusoidal, que lo cargará, originando en sus bornes una caída de tensión, -vc(t), cuyo valor absoluto puede demostrarse que es igual al de v(t). Todo lo anterior, una vez alcanzado el régimen estacionario. Al decir que por el condensador «circula» una corriente, se debe puntualizar que, en realidad, dicha corriente nunca atraviesa su dieléctrico. Lo que sucede es que el condensador se carga y descarga al ritmo de la frecuencia de v(t), por lo que la corriente circula externamente entre sus armaduras. Esto hace referencia a la corriente de conducción pero, en el interior del dieléctrico podemos hablar de la corriente de desplazamiento. Fig. 2: Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en un condensador. El fenómeno físico del comportamiento del condensador en CA se puede observar en la figura 2. Entre los 0º y los 90º i(t) va disminuyendo desde su valor máximo positivo a medida que aumenta su tensión de carga vc(t), llegando a ser nula cuando alcanza el valor máximo negativo a los 90º, puesto que la suma de tensiones es cero (vc(t)+ v(t) = 0) en ese momento. Entre los 90º y los 180º v(t) disminuye, y el condensador comienza a descargarse, disminuyendo por lo tanto vc(t). En los 180º el condensador está completamente descargado, alcanzando i(t) su valor máximo negativo. De los 180º a los 360º el razonamiento es similar al anterior. Fig. 3: Diagrama fasorial. De todo lo anterior se deduce que la corriente queda adelantada 90º respecto de la tensión aplicada. Considerando, por lo tanto, un condensador C, como el de la figura 1, al que se aplica una tensión alterna de valor: De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, adelantada 90º () respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor: Donde. Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar: Y operando matemáticamente: Por lo tanto, en los circuitos de CA, un condensador ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria negativa: En el condensador real, habrá que tener en cuenta la resistencia de pérdidas de su dieléctrico, RC, pudiendo ser su circuito equivalente, o modelo, el que aparece en la figura 4a) o 4b) dependiendo del tipo de condensador y de la frecuencia a la que se trabaje, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores Figura 4. Circuitos equivalentes de un condensador en CA. TIPOS DE CONDENSADORES Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas. Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos. Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, baquelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce suhigroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar. Condensadores autorregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autorregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras. Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera armadura, la cual actúa comocátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un cortocircuito entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el condensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolito empleados: Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas. Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen. Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias. Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno. Condensadores de poliestireno, también conocidos comúnmente como Styroflex (marca registrada de Siemens). Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso a las bobinas de sintonía, logrando de este modo estabilidad en los circuitos resonantes. Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. Condensadores síncronos. Es un motor síncrono que se comporta como un condensador. Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje. Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta. USOS Los condensadores suelen usarse como: Baterías, por su cualidad de almacenar energía. Memorias, por la misma cualidad. Filtros. Fuentes de alimentación. Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros componentes. Demodular AM, junto con un diodo. Osciladores de todos los tipos. El flash de las cámaras fotográficas. Tubos fluorescentes. Compensación del factor de potencia. Arranque de motores monofásicos de fase partida. Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión. PRECAUSIONES DE MANIPULACION Y SEGURIDAD Al manipular un condensador es conveniente tomar una serie de precauciones por seguridad. Cuando se desconecta un condensador de la tensión, el condensador continúa cargado con la tensión de alimentación, por lo que si se cortocircuitan las placas al tocarlo puede provocar un accidente peligroso al descargarse el condensador violentamente. La normas EN-61048 y EN-60252 establecen la necesidad de dotar a los condensadores de alumbrado y motor de la resistencia de descarga adecuada, de tal forma que al dejar de aplicar la tensión de alimentación , este debe acumular una tensión máxima de 50 V en un periodo de 60 segundos. Igualmente los condensadores trifásicos deben estar equipados con una resistencia de seguridad que descargue hasta lograr una tensión máxima de 75 V en 3 minutos, según se establece en la norma EN-60831-1 en su Anexo B. SISTEMA DE DESCONEXIÓN Debido a condiciones de trabajo extremas e inadmisibles de sobretensión, sobreintensidad y altas temperaturas, RTR Energía S.L. ha diseñado un sistema de desconexión por sobrepresión que actúa expandiendo la tapa de los terminales, interrumpiendo la conexión del terminal con el elemento capacitivo. En estás condiciones y para el correcto funcionamiento del sistema de desconexión, es de vital importancia que la resina del encapsulado este diseñada de forma que no atrape los gases generados por la fusión del metal y permita que asciendan, ya que de otro modo el sistema no funcionaria. Por este motivo RTR Energía S.L. cuenta con una División Química que desarrolla y fabrica las resinas eléctricas para cada aplicación. CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO TEMPERATURA Los condensadores deben trabajar por debajo de los siguientes límites: Máxima: 55ºC Media diaria: 45ºC Media anual: 35ºC Es decir, un condensador nunca puede estar por encima del los 55 ºC, ni más de 24 horas a más de 45 ºC, ni un año entero superando los 35 ºC de temperatura. TENSIÓN La sobretensión máxima que soporta el condensador es 1,10 veces el valor de la tensión nominal, como se ha explicado más detalladamente en el Apartado E. INTENSIDAD La intensidad máxima que puede alcanzar un condensador es una vez y media su intensidad nominal (1,5 · In). ALTITUD La altitud de instalación de los condensadores no debe superar los 2000 metros sobre el nivel del mar. En alturas superiores, la disipación de calor se reduce, lo que debe considerarse a la hora de dimensionar el condensador. ARMÓNICOS La presencia de armónicos que puede soportar el condensador se determina de forma que no se superen los límites de tensión e intensidad máxima indicados a continuación: THDUmax.:2% THDImax.:25%