Aplicaciones De Los Capacitores 3b4v6k

Aplicaciones de los capacitores Una de las diferencias más importantes entre los capacitores y las baterías es que un capacitor puede liberar toda su carga en una pequeña fracción de segundo, mientras que a una batería le llevaría minutos o incluso horas descargarse completamente. Por eso los capacitores son utilizados en aparatos como el flash electrónico de cámaras fotográficas, en el que la batería carga al capacitor del flash durante unos segundos; y luego al tomarse la fotografía se libera instantáneamente la carga del capacitor encendiendo la luz del flash. Es muy importante tener en cuenta que estas descargas instantáneas de electricidad, convierten a los capacitores en dispositivos altamente peligrosos; por eso mismo las unidades de flash, televisores, fuentes de computadoras entre otros aparatos tienen etiquetas de advertencia que recomiendan no abrirlos para evitar posibles shocks eléctricos. Estos grandes capacitores pueden matar a una persona que los toca si liberan la carga acumulada. Algunas de las aplicaciones prácticas más comunes de los capacitores incluyen: 

Dispositivos que requieren capacitores para almacenar una carga la cual debe ser liberada rápidamente; como por ejemplo el flash de la cámara fotográfica, grandes láseres que requieren haces brillantes e instantáneos.



Los capacitores pueden eliminar ondas o rizos en la frecuencia de la corriente eléctrica. Si en un circuito con corriente de voltaje continuo DC hay rizos u ondas un capacitor grande puede absorber los picos y llenar los valles, nivelando el voltaje.



Un capacitor puede bloquear corriente de voltaje continuo. Si se conecta un capacitor a una batería, la corriente dejará de circular entre las terminales de la batería una vez que el capacitor esté cargado por completo. Sin embargo, si por el circuito fluye una corriente de voltaje alterno, ésta pasará por el capacitor sin obstáculos. Esto sucede porque el capacitor se cargará y descargará continuamente mientras la corriente alterna fluctúa, dando la impresión de que la corriente alterna fluye sin trabas.

Una función muy importante que tienen los capacitores es la de filtrar o suavizar las corrientes eléctricas. Un capacitor puede ser utilizado para tomar una señal variable con ondas o rizos y nivelarla o rectificarla. El capacitor se llena con la carga de la corriente eléctrica durante los picos de la onda y libera corriente durante los valles de la onda; contrarrestando las ondas de la señal y quedando así suavizada o filtrada. Por ejemplo, los capacitores son utilizados en fuentes de energía como las de las computadoras, o consolas de juegos, las cuales convierten la corriente alterna de la red eléctrica en continua. En circuitos en los que el voltaje de la corriente eléctrica fluctúa mucho; mediante el uso de un capacitor intermedio se puede nivelar bastante el mismo; ya que cuando el voltaje aumenta la energía sobrante es almacenada por el capacitor y cuando baja la energía acumulada es liberada. Como dato interesante es bueno saber que si a ese circuito se le agrega una resistencia junto al capacitor, la fluctuación en el voltaje casi desaparece por completo. Para visualizarlo mejor, un pequeño capacitor en un circuito se puede cargar y descargar rápidamente pero no tiene gran capacidad de almacenamiento; esto significa que puede filtrar o nivelar mejor una onda de alta frecuencia, sin embargo no puede filtrar corrientes de frecuencia más baja con la misma efectividad. Por el contrario, un capacitor grande tiene alta capacidad de

almacenamiento pero le lleva más tiempo cargarse y descargarse, por lo que es más efectivo rectificando una corriente eléctrica de baja frecuencia que una de alta. A partir de esto llegamos a la conclusión de que se pueden armar circuitos eléctricos que responden a distintas frecuencias de corriente, acorde al tamaño y tipo de capacitores que se utilizan en los mismos. Otra gran propiedad que tienen los capacitores es la de generar demoras o retrasos en los circuitos eléctricos. En electrónica muchas veces es necesario realizar tareas que ocurren con frecuencias determinadas en períodos constantes o entre determinados intervalos de tiempo; esto se logra poniendo demoras en el flujo de la corriente eléctrica. Para visualizarlo nuevamente con una analogía hidráulica; se puede pensar en un balde o cubeta de agua, cuyo tamaño así como el ritmo con el que echamos el agua dentro, determina cuanto tiempo se necesita para que el balde se llene. Lo mismo ocurre con los capacitores, un capacitor más grande tarda más en llenarse que uno más pequeño, deteniendo el flujo de la corriente eléctrica por un tiempo determinado. Así según el tamaño del capacitor utilizado se logran demoras eléctricas cada cierta frecuencia. Esta técnica es muy utilizada en los dispositivos o aparatos que realizan tareas cada cierto tiempo; como por ejemplo relojes, cronómetros y cualquier tarea que para ocurrir requiera el paso de determinados intervalos de tiempo regulares. Así, con distintos tipos de capacitores se puede regular o controlar la frecuencia de la corriente eléctrica en circuitos, y por otro lado crear demoras que hacen que las tareas ocurran con cierto ritmo. Por eso mismo, los capacitores son de tanta importancia en el desarrollo de dispositivos electrónicos. Pantallas táctiles capacitivas (Touchs screens) Las pantallas táctiles o touch screen tan populares hoy día en PDAs, iPhones, Smartphones y otros dispositivos; funcionan gracias a la tecnología de los capacitores. El cristal de la pantalla está impregnado con una cobertura metálica transparente. Además debajo de la pantalla hay una grilla de pequeños electrodos. De esta manera la corriente eléctrica pasa por la capa metálica y llega a unos sensores, creando una especie de capacitor. Al tocar con el dedo la pantalla, dada la conductividad de la piel humana se genera una descarga eléctrica que crea una variación en la carga de la capa capacitiva. Los sensores se ubican en cada esquina del monitor; los cuales calculan con exactitud a partir de las diferencias de carga en cada esquina la posición exacta donde el o con el dedo ocurrió. Esta información luego es enviada a un software especial dando los resultados requeridos. Cuando se toca la pantalla táctil capacitiva, hay una descarga eléctrica hacia el dedo. Luego desde los sensores de cada esquina se mide la diferencia de distancia, obteniendo así la posición exacta del dedo, tras lo cual se envía una señal a un software encargado de traducir estas señales en tareas

CAPACITORES

DE

ARRANQUE

EN

MOTORES Están

diseñados únicamente para

un

servicio intermitente: típicamente para no más de 20 arranques por hora (ciclo de 3 minutos) con cada periodo de arranque sin exceder de 3 segundos. Periodos más largos de arranque o arranques más frecuentes causarán un incremento excesivo de calor dentro del capacitor y provocarán una falla prematura. Los capacitores de arranque son referidos por sus microfaradios en rangos que pueden ser muy variados. Por ejemplo 108-130 microfaradios y se encuentran en los voltajes como 110v, 220v, 330v, etc. Usualmente su forma física puede ser de un pequeño cilindro de plástico negro. Los capacitores de trabajo, a diferencia del de arranque, están diseñado

para un

servicio continuo. El capacitor siempre está en el circuito cuando el motor

está

trabajando. Ellos usualmente tienen menos microfaradios, como 15 mfd, o

incluso

trae dos factores de capacitancia como en algunos casos en mini Split de

A/C:

Capacitor de 30 mfd + 5 mfd y voltaje de 44vac y los puedes encontrar en

voltajes

220v, 370v, 440v, etc. El propósito del aceite o de otro fluido dentro de estos capacitores es incrementar la fortaleza del dieléctrico como papel, poliéster o polipropileno y actúan como disipador de calor. Recordemos que los capacitores de trabajo son dispositivos para un servicio continuo y cantidades grandes de fluidos ayudan a disipar el calor antes de que pueda afectar adversamente al capacitor, el aceite tiene una tendencia de hacer perder la fortaleza del dieléctrico conforme la temperatura se incrementa. Motores de arranque por capacitor

Estos motores monofásicos de corriente alterna cuyo rango va de fracciones de HP hasta HP., se usan ampliamente con muchas aplicaciones de tipo monofásico tales como accionamiento a maquinas y herramientas como pueden ser taladros, pulidoras, motobombas, etc. Este motor es similar en su construcción al de partida, excepto que se conecta un capacitor en con su devanado de arranque. Los motores de arranque con capacitor están equipados también como los de fase partida, con devanado de trabajo y arranque, pero el motor un condensador (capacitor), que permite tener mayor par de arranque. El capacitor se conecta en serie con el devanado arranque y el switch o interruptor centrífugo

15

fase serie

tiene

de

Motor con capacitor en marcha Este tipo de motor tiene dos devanados permanentes que, en general, se arrollan con alambre de un mismo diámetro y el mismo numero de vuelta, es decir, los devanados son idénticos. Ya que trabaja en forma continua como motor de arranque por capacitor no se necesita interruptor centrifugo. Los motores de este tipo arrancan y trabajan en virtud de la descomposición de l fase de cuadratura que producen los dos devanados idénticos desplazados en tiempo y espacio. En consecuencia, no tiene el alto par de marcha normal que producen los motores ya sea de arranque por capacitor o de arranque porresistencia. El capacitor que se usa se diseña para el servicio continuo y es del tipo de baño de aceite. El valor del capacitor se basa más en su característica de marcha óptima que en la de arranque. Al instante de arranque, la corriente en la rama capacitiva es muy baja. El resultado es que estos motores, a diferencia de los de arranque por capacitor, tienen par de arranque muy deficiente, de entre 50 a 100 por ciento del par nominal, dependiendo de la resistencia del rotor. Este tipo de motor se presta al control de velocidad por variación del voltaje de suministro. Se usan diversos métodos para ajustar el voltaje aplicado al estator y producir el control deseado de velocidad, como transformadores con varias salidas, variacs, potenciómetros y resistencias o reactores con varias salidas.

Debido a su funcionamiento uniforme y a la posibilidad de controlar la velocidad, las aplicaciones de este motor pueden ser ventiladores de toma y descarga en maquinas de oficina, unidades de calefacción o aire acondicionado.

ACUMULADORES DE ENERGIA Un capacitor cargado, puede proporcionar carga eléctrica para realizar un cierto trabajo. Por lo tanto, todo capacitor cargado tiene una energía potencial eléctrica U acumulada (que se mide en "J", "joule" o "julio"). Puede demostrarse que U = (1/2) Q ΔV y entonces también puede expresarse U=

(1/2) Q2/ C =

(1/2) C (ΔV)2

Como ejemplo de aplicación de los capacitores con esta función (acumuladores de energía) se tienen los magnetizadores y desmagnetizadores de imanes (de parlantes por ej.), sistemas de campo magnético pulsado, fuentes de plasma pulsado, circuitos de disparo del flash de cámaras fotográficas y de algunos chisperos (encendedores) electrónicos. Según la aplicación, estos capacitores deben ser capaces de cargarse con más o menos alto voltaje (entre 0.2 y 1 kV típicamente) y ser aptos para soportar descargas más o menos rápidas (entre 0.001 y 1 ms típicamente). FILTROS DE RIZADO Esta función se encuentra en las fuentes de alimentación (de corriente y/o de voltaje), donde los capacitores se utilizan para eliminar ("filtrar") el rizado o riple remanente de la conversión de corriente alterna (AC) en continua (DC) realizada por el circuito rectificador. Hasta aproximadamente los años 1980’s, los diseñadores electrónicos calculaban el transformador óptimo para una dada aplicación, mediante el uso de las "Curvas de Schade" ( Schade O H 1943 Analysis of Rectifier OperationProc. IRE 31(7) 341-361 ). En el cálculo del transformador, también estimaban la capacitancia y el voltaje máximo del capacitor. En la actualidad, se utilizan transformadores y capacitores de valores típicos, mientras que el filtrado final se realiza con un circuito integrado regulador de voltaje de 3 terminales, que puede ser fijo como el "7805", ó ajustable como el "LM317". FILTROS DE AUDIOFRECUENCIA

Cuando señales compuestas por diferentes frecuencias se aplican a un capacitor, éste tiene más "reactancia capacitiva" a las ondas de relativa baja frecuencia. Este hecho tiene una importante aplicación en los circuitos preamplificadores y amplificadores de audio. En particular, los divisores de frecuencia pasivos (compuestos por capacitores, bobinas y resistores) que se encuentran dentro de algunas cajas acústicas ("baffles"), tienen configuraciones simples denominadas "filtros pasa altos" que dejan pasar las frecuencias medias y altas (a través de capacitores en serie) hacia los parlantes de sonidos medios y agudos ("tweeters"). También forman "filtros pasa bajos" que cortocircuitan a tierra los agudos (a través de un capacitor en paralelo) para que no lleguen a los parlantes de sonidos más graves ("woofers"). Estos divisores de frecuencia también se utilizan con luces psicodélicas en teatros, discotecas y pubs, para enviar los bajos hacia lámparas de cierto color, y los sonidos medios y los altos a otras lámparas de diferente color.

FILTROS DE AUDIOFRECUENCIA Y SINTONIZADORES En los aparatos de radio, de televisión (TV), teléfonos, detectores de metales y otros sistemas de alta frecuencia, se utilizan capacitores en la implementación de "filtros pasabanda", para dejar pasar solo un estrecho rango de frecuencias. Capacitores fijos y variables puestos en paralelo (en "tandem") forman parte de los circuitos "tanque" de sintonización de emisoras, conectados generalmente en paralelo con bobinas o con transformadores de RF. Para ajustes finos de frecuencias en equipos de comunicaciones se requieren capacitores variables de capacitancia relativamente pequeña (menor que 1 nF) en los que las variaciones de capacitancia puedan ser mucho menores aún (1-100 pF). Para esto existen capacitores denominados trimmers de hasta 50 pF que son 2 láminas metálicas, separadas por una lámina aislante muy delgada (de mica, mylar o teflon), con un tornillo de ajuste para regular la distancia de separación de las láminas (y por lo tanto, poder ajustar la capacitancia con cierta resolución). Para capacitancias relativamente mayores, existen padders que son similares a los trimmers, pero de mayor tamaño y con capacitancias en el rango 50-250 pF. En la Figura siguiente se muestra un elemento capacitivo de sintonía. El encapsulado plástico (de unos 2 x 2 x 1 cm3 aprox.) contiene 2 capacitores variables en tandem, formados por láminas metálicas que giran introduciéndose alternadamente unas en otras. Se observan las ranuras de los tornillos de ajuste de 2 trimmers. En la cara que no se ve en la Figura, está el eje central donde se atornilla el "dial", que es una rueda numerada con las frecuencias de las emisoras.

Fig. 2: Elemento capacitivo de sintonía de un receptor superheterodino AM de bolsillo.

capacitores

se

usan

para

eliminar

Por el contrario, en los "filtros de rechazo de banda" (o filtros "notch"), los un estrecho rango de frecuencias.

Elementos reactivos como capacitores y bobinas producen desfases entre corriente y voltaje. Los capacitores permiten que la corriente se adelante al voltaje (ángulo de fase negativo) y las bobinas atrasan la corriente (ángulo de fase positivo). Los filtros pasabanda y rechazo de banda determinan una frecuencia particular denominadafrecuencia de resonancia, donde el efecto del capacitor sobre la corriente se compensa exactamente con el efecto de la bobina, haciendo que la señal que posea esa frecuencia (y las cercanas) pueda pasar con menor reactancia en el filtro pasabanda, o por el contrario, que esa señal se pierda con mayor facilidad en el filtro notch. FILTROS DE FRECUENCIA DE LINEA Los filtros notch también se utilizan para eliminar múltiplos de la frecuencia de la red eléctrica que puedan interferir con un dado equipo. Por ejemplo, si la red es de 50 Hz, según el equipo puede haber filtros notch implementados con capacitores para eliminar "ruido" de frecuencia 50, 100, 150 y 200 Hz. PROTECTORES DE COMPONENTES ELECTRONICOS, BOBINAS Y OS DE RELAY En circuitos inductivos (donde haya bobinas) los capacitores funcionan como supresores ("snubbers") de transitorios. Conectados en paralelo sirven para absorber la energía de la sobretensión inducida, ya que hacen que el transitorio de corriente evolucione más lentamente (y por lo tanto que el voltaje inducido sea menor), evitando que un o eléctrico se funda y se perfore, o protegiendo componentes pasivos (como bobinas, transformadores y motores), o evitando quemar componentes activos (como transistores, tiristores y triacs). sobretensión. MULTIPLICADORES DE VOLTAJE Conectando diodos rectificadores y capacitores, se pueden implementar configuraciones de alto voltaje que cargan los capacitores en los semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del circuito. Se utilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las fuentes de televisores y de ozonizadores de aire en hospitales y de agua en piscinas).

Fig. 3: Diagramas esquemáticos de un duplicador de voltaje y de un multiplicador de voltaje extendible, a partir de una fuente de voltaje AC Vi(t) de amplitud VM, capacitores y diodos rectificadores. En el segundo circuito, cada capacitor queda cargado con VM y, donde se unen el diodo y el capacitor n-ésimos, se tiene el voltaje de salidaVo(n) = nVM.

2.8 Acumuladores (digitales y analógicos) de información: junto con la gran familia de "FET´s" (Field Effect Transistors, transistores de efecto de campo), los capacitores se utilizan en referencias de voltaje, dentro de "chips" de memorias y en circuitos lógicos.

CONSTANTES DE TIEMPO Y ACOPLAMIENTO Los capacitores sirven para producir constantes de tiempo (del tipo τ = RC o equivalentes) en temporizadores, alarmas, sirenas, atenuadores de luz ("dimmers") y convertidores portátiles de voltaje. Los capacitores también sirven para acoplar circuitos lógicos, etapas de amplificadores y sondas con instrumentos (como osciloscopios). INTEGRADORES Y DERIVADORES RC Las constantes de tiempo RC también se utilizan para hacer que un capacitor en paralelo (como en una configuración pasa bajos) se comporte como un integrador de los voltajes con frecuencias superiores a la frecuencia de corte f-3dB del filtro. Por el contrario, un capacitor en serie (como en una configuración pasa altos) se comporta como un derivador de los voltajes con frecuencias inferiores a la frecuencia de corte f-3dB del filtro.

Fig. 4: Filtro pasa-bajos funcionando como integrador y filtro pasa-altos funcionando como derivador. Diagrama esquemático de cada circuito, Diagrama de Bode de la ganancia G en decibel (dB) de cada filtro, y deducción de su funcionamiento como integrador y como derivador respectivamente.

Por ejemplo, cuando se busca medir la intensidad B(t) del campo magnético alterno (de frecuencia f) producido por un bobinado AC, se puede usar un integrador (formado simplemente por una resistencia y un capacitor tales que la frecuencia f sea mucho mayor que frecuencia de corte f3dB del filtro RC pasabajos). Como el voltaje ε(t) inducido en los extremos del bobinado es proporcional a la derivada del flujo magnético Φ, este voltaje se aplica al integrador, y de este modo la señal de salida resulta proporcional a Φ(t) y por lo tanto, también proporcional a B(t). SELECTORES O CONMUTADORES TACTIL En selectores de pisos en ascensores, teclado en cajeros, y en dispositivos como las ruedas táctiles de los iPod´s, los capacitores sirven como interruptores electrostáticos, en lugar de los clásicos "botones" electromecánicos que actúan por presión mediante piezas móviles. DESFASADORES DE LINEA (CORRECCION DEL “FACTOR POTENCIA”) En un circuito AC (de corriente alterna de 50 ó de 60 Hz) hay que distinguir entre dos potencias: Potencia media que se calcula como la media de la potencia instantánea P(t) en un período, y que

representa la potencia realmente utilizada por la maquinaria, que suele especificarse en watt (W); y Potencia aparente que es el producto de los valores eficaces (RMS, root mean square) de la corriente y el voltaje. La capacidad que se puede agregar a la instalación (para disminuir la fase φ) no es arbitraria. El factor de potencia está limitado legalmente, ya que el exceso de capacitores en la red podría ocasionar transitorios de corrientes muy altos durante la puesta en marcha de la industria, haciendo "saltar" la red eléctrica de una parte de la ciudad durante la sobrecarga. SENSORES Y TRANSDUCTORES Como transductores entre ondas acústicas y eléctricas, elementos capacitivos se usan como emisores y como receptores de ecógrafos en medicina y de sonares en biología marina. En audio se usan en los antiguos fonocaptores ("cápsulas de cristal y cerámicas"), en micrófonos cerámicos y en altavoces de agudos ("tweeters").