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Los condensadores tienen múltiples usos en sistemas electrónicos y eléctricos. Son tan comunes que es raro encontrar un producto eléctrico que no incluya al menos uno para algún propósito. Cuando están cargados, los condensadores permiten el paso únicamente de señales de corriente alterna (CA), bloqueando las señales de corriente continua (CC). Los componentes principales de los filtros son condensadores. Los condensadores permiten conectar un segmento de circuito con otro. Los dispositivos de memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) utilizan condensadores para representar información binaria como bits.
Almacenamiento de energía
Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando está conectado a su circuito de carga y, al desconectarse de este, puede disipar dicha energía, por lo que puede utilizarse como batería temporal . Los condensadores se utilizan habitualmente en dispositivos electrónicos para mantener el suministro eléctrico mientras se cambian las baterías. (Esto evita la pérdida de información en la memoria volátil).
Los condensadores electrostáticos convencionales proporcionan menos de 360 julios por kilogramo de densidad de energía, mientras que los condensadores que utilizan tecnología en desarrollo pueden proporcionar más de 2,52 kilojulios por kilogramo. [ 1 ]
En los sistemas de audio para automóviles , los condensadores de gran tamaño almacenan energía para que el amplificador la utilice cuando la necesite.
Un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) puede equiparse con condensadores libres de mantenimiento para prolongar su vida útil . [ 2 ]
Energía pulsada y armas
Los grupos de condensadores de alta tensión , de gran tamaño y baja inductancia , construidos especialmente ( bancos de condensadores ), se utilizan para suministrar enormes pulsos de corriente en numerosas aplicaciones de potencia pulsada . Estas incluyen la formación electromagnética , los generadores Marx , los láseres pulsados (especialmente los láseres TEA ), las redes de formación de pulsos , la investigación de fusión y los aceleradores de partículas .
Los grandes bancos de condensadores (depósitos) se utilizan como fuentes de energía para los detonadores de hilo explosivo o detonadores de impacto en armas nucleares y otras armas especiales. Se están realizando trabajos experimentales utilizando bancos de condensadores como fuentes de energía para blindajes electromagnéticos y cañones electromagnéticos de riel o de bobina .
Acondicionamiento de energía
Los condensadores de reserva se utilizan en fuentes de alimentación para suavizar la salida de un rectificador de onda completa o media onda. También pueden emplearse en circuitos de bomba de carga como elemento de almacenamiento de energía para generar voltajes superiores al de entrada.
Los condensadores se conectan en paralelo con los circuitos de alimentación de CC de la mayoría de los dispositivos electrónicos para suavizar las fluctuaciones de corriente en los circuitos de señal o control. Los equipos de audio, por ejemplo, utilizan varios condensadores de esta manera para desviar el zumbido de la red eléctrica antes de que llegue al circuito de señal. Los condensadores actúan como una reserva local para la fuente de alimentación de CC y desvían las corrientes alternas de la fuente de alimentación. Esto se utiliza en aplicaciones de audio para automóviles, donde un condensador de refuerzo compensa la inductancia y la resistencia de los cables de la batería de plomo-ácido del automóvil.
Corrección del factor de potencia
En la distribución de energía eléctrica, los capacitores se utilizan para la corrección del factor de potencia. Estos capacitores suelen venir en conjuntos de tres capacitores conectados como una carga eléctrica trifásica. Generalmente, los valores de estos capacitores no se expresan en faradios, sino como potencia reactiva en voltios-amperios reactivos (VAr). El objetivo es contrarrestar la carga inductiva de dispositivos como motores de inducción, motores eléctricos y líneas de transmisión para que la carga parezca principalmente resistiva. Las cargas individuales de motores o lámparas pueden tener capacitores para la corrección del factor de potencia, o bien se pueden instalar conjuntos de capacitores más grandes (generalmente con dispositivos de conmutación automática) en un centro de carga dentro de un edificio o en una subestación eléctrica de gran tamaño . En los sistemas de transmisión de corriente continua de alta tensión, los capacitores de corrección del factor de potencia pueden tener inductores de sintonización para suprimir las corrientes armónicas que, de otro modo, se inyectarían en el sistema de energía de CA.
Supresión y acoplamiento
Los condensadores que se utilizan para suprimir frecuencias no deseadas a veces se denominan condensadores de filtro . Son comunes en equipos eléctricos y electrónicos, y abarcan diversas aplicaciones, tales como:
- Eliminación de fallos en líneas de alimentación de corriente continua (CC)
- Eliminación de interferencias de radiofrecuencia (RFI) para líneas de señal o de alimentación que entran o salen del equipo.
- Condensadores utilizados después de un regulador de voltaje para suavizar aún más las fuentes de alimentación de CC.
- Condensadores utilizados en filtros de audio, frecuencia intermedia (FI) o radiofrecuencia (RF) (por ejemplo, paso bajo, paso alto, rechazo de banda, etc.).
- Supresión del arco eléctrico , como por ejemplo a través del interruptor de contacto o los "puntos" en un motor de encendido por chispa.
Acoplamiento de señales
Debido a que los condensadores permiten el paso de corriente alterna (CA) pero bloquean las señales de corriente continua (CC ) (cuando se cargan hasta el voltaje de CC aplicado), se utilizan frecuentemente para separar los componentes de CA y CC de una señal. Este método se conoce como acoplamiento de CA o "acoplamiento capacitivo". En este caso, se emplea un valor de capacitancia elevado, cuyo valor no necesita controlarse con precisión, pero cuya reactancia es pequeña a la frecuencia de la señal.
Desacoplamiento
Un condensador de desacoplamiento es un condensador que se utiliza para aislar una parte de un circuito de otra. El ruido generado por otros elementos del circuito se desvía a través del condensador, reduciendo su efecto sobre el resto del circuito. Se utiliza con mayor frecuencia entre la fuente de alimentación y tierra. Para frecuencias más altas, también se le conoce como condensador de derivación, ya que se utiliza para derivar la fuente de alimentación u otro componente de alta impedancia del circuito.
Filtros de paso alto y paso bajo
Un filtro de paso alto (HPF) es un filtro electrónico que permite el paso de señales con una frecuencia superior a una determinada frecuencia de corte y atenúa las señales con frecuencias inferiores a dicha frecuencia. La cantidad de atenuación para cada frecuencia depende del diseño del filtro. Un filtro de paso alto se suele modelar como un sistema lineal invariante en el tiempo. A veces se le denomina filtro de corte de graves o filtro de corte de bajos.[1] Los filtros de paso alto tienen múltiples aplicaciones, como el bloqueo de corriente continua en circuitos sensibles a tensiones medias distintas de cero o en dispositivos de radiofrecuencia. También pueden utilizarse junto con un filtro de paso bajo para generar un filtro de paso de banda .
Un filtro de paso bajo (LPF) es un filtro que permite el paso de señales con una frecuencia inferior a una frecuencia de corte seleccionada y atenúa las señales con frecuencias superiores a dicha frecuencia. La respuesta en frecuencia exacta del filtro depende de su diseño. En aplicaciones de audio, a veces se le denomina filtro de corte de agudos o filtro de corte de agudos . Un filtro de paso bajo es el complemento de un filtro de paso alto.
Filtros y amortiguadores de ruido
Cuando se abre un circuito inductivo, la corriente que circula por la inductancia se interrumpe rápidamente, generando una gran tensión en el circuito abierto del interruptor o relé. Si la inductancia es lo suficientemente grande, la energía producirá una chispa eléctrica , provocando la oxidación, el deterioro o, en ocasiones, la soldadura de los contactos, o la destrucción de un interruptor de estado sólido. Un condensador amortiguador conectado al circuito recién abierto desvía este impulso, evitando los contactos y, por lo tanto, prolongando su vida útil; estos condensadores se utilizaban comúnmente en sistemas de encendido con interruptores de contacto , por ejemplo. De forma similar, en circuitos de menor escala, la chispa puede no ser suficiente para dañar el interruptor, pero sí generará interferencias de radiofrecuencia (RFI) no deseadas , que un condensador de filtro absorbe. Los condensadores amortiguadores suelen emplearse con una resistencia de bajo valor en serie para disipar la energía y minimizar las RFI. Estas combinaciones de resistencia y condensador están disponibles en un solo paquete.
Los condensadores también se utilizan en paralelo para interrumpir las unidades de un interruptor de alta tensión y distribuir la tensión de manera uniforme entre ellas. En este caso, se les denomina condensadores de compensación.
En los diagramas esquemáticos, un condensador utilizado principalmente para el almacenamiento de carga de CC se suele dibujar verticalmente en los diagramas de circuitos, con la placa inferior, más negativa, representada como un arco. La placa recta indica el terminal positivo del dispositivo si está polarizado (véase condensador electrolítico ).
supresión de motor de CC
Los condensadores de disco cerámicos se utilizan habitualmente en circuitos de amortiguación para motores de baja tensión debido a su baja inductancia y bajo coste.
Filtrado de la fuente de alimentación conmutada
A menudo se requieren electrolitos con baja ESR (resistencia serie equivalente) para manejar la alta corriente de rizado .
Filtrado de la red eléctrica
Los condensadores de filtro de red suelen ser de tipo película plástica bobinada encapsulada, ya que ofrecen una alta tensión nominal a bajo coste y pueden ser autorregenerables y fusibles. A menudo, los condensadores de filtro de red son condensadores cerámicos para la supresión de RFI/EMI . Los requisitos de seguridad adicionales para el filtrado de red son:
- Los condensadores de línea a neutro son ignífugos y, en Europa, deben utilizar dieléctricos de clase X.
- Línea o neutro a tierra: Debe ser ignífugo; además, el dieléctrico debe ser autorreparable y fusible. En Europa, se trata de condensadores de clase Y.
Filtrado de riel de alimentación
Los condensadores electrolíticos se utilizan habitualmente debido a su alta capacidad, bajo coste y tamaño reducido. Se pueden conectar en paralelo condensadores no electrolíticos más pequeños para compensar el bajo rendimiento de los electrolíticos a altas frecuencias.
Los ordenadores utilizan un gran número de condensadores de filtro, por lo que el tamaño es un factor importante. Los condensadores de tantalio sólido y de tantalio húmedo ofrecen un rendimiento CV (capacitancia/tensión) excepcional en uno de los formatos más compactos disponibles. Las altas corrientes y las bajas tensiones también hacen que una baja resistencia serie equivalente (ESR) sea crucial. Los condensadores de tantalio sólido ofrecen versiones de baja ESR que a menudo cumplen con los requisitos de ESR, pero no son la opción con la ESR más baja entre todos los condensadores. Los condensadores de tantalio sólido presentan un problema adicional que debe abordarse durante la fase de diseño. Es necesario reducir la tensión nominal de los condensadores de tantalio sólido en todas las aplicaciones. Se recomienda una reducción de tensión del 50 %, generalmente aceptada como estándar industrial; por ejemplo, un condensador de tantalio sólido de 50 V nunca debe exponerse a una tensión de aplicación real superior a 25 V. Los condensadores de tantalio sólido son componentes muy fiables si se toman las precauciones adecuadas y se siguen cuidadosamente todas las directrices de diseño. Desafortunadamente, el mecanismo de fallo de un condensador de tantalio sólido es un cortocircuito, que provoca una explosión violenta y humo en la placa de circuito impreso, capaz de dañar otros componentes cercanos y destruir completamente el condensador. Afortunadamente, la mayoría de las fallas en los condensadores de tantalio sólido serán inmediatas y muy evidentes. Una vez en funcionamiento, el rendimiento de los condensadores de tantalio sólido mejorará con el tiempo y las probabilidades de falla debido a defectos de fabricación de los componentes disminuirán. Los condensadores de tantalio húmedo son un tipo de condensador electrolítico que utiliza una pastilla de tantalio en un material electrolítico sellado en un paquete hermético. Este tipo de condensador de tantalio no requiere la misma reducción de potencia que un condensador de tantalio sólido y su mecanismo de falla es abierto. Se recomienda una curva de reducción de voltaje del 10 % al 20 % para los condensadores de tantalio húmedo cuando operan de 85 °C a 125 °C. Los condensadores de tantalio húmedo no se suelen denominar simplemente "electrolíticos" porque, por lo general, "electrolítico" se refiere a los electrolíticos de aluminio.
arrancadores de motor
En los motores monofásicos de jaula de ardilla , el devanado primario dentro de la carcasa no es capaz de iniciar el movimiento de rotación del rotor, pero sí de mantenerlo. Para arrancar el motor, se utiliza un devanado secundario en serie con un condensador de arranque no polarizado para introducir un retardo en la corriente sinusoidal que circula por el devanado de arranque. Cuando el devanado secundario se coloca en ángulo con respecto al devanado primario, se crea un campo eléctrico giratorio. La fuerza de este campo no es constante, pero es suficiente para iniciar el giro del rotor. Cuando el rotor se aproxima a la velocidad de funcionamiento, un interruptor centrífugo (o un relé sensible a la corriente en serie con el devanado principal) desconecta el condensador. El condensador de arranque suele estar montado en el lateral de la carcasa del motor. Estos motores se denominan motores de arranque por condensador y tienen un par de arranque relativamente alto.
También existen motores de inducción con condensador, que cuentan con un condensador de cambio de fase conectado permanentemente en serie con un segundo devanado. Este motor es muy similar a un motor de inducción bifásico.
Los condensadores de arranque de motores suelen ser electrolíticos no polarizados, mientras que los condensadores de funcionamiento son dieléctricos convencionales de papel o película plástica .
Procesamiento de señales
La energía almacenada en un condensador puede utilizarse para representar información, ya sea en formato binario, como en las memorias DRAM , o en formato analógico, como en los filtros analógicos muestreados y los detectores CCD. Los condensadores se emplean en circuitos analógicos como componentes de integradores o filtros más complejos, así como en la estabilización de bucles de retroalimentación negativa . Los circuitos de procesamiento de señales también utilizan condensadores para integrar una señal de corriente.
Circuitos sintonizados
En los circuitos sintonizados, los condensadores y las bobinas se utilizan conjuntamente para seleccionar información en bandas de frecuencia específicas. Por ejemplo, los receptores de radio emplean condensadores variables para sintonizar la frecuencia de la emisora. Los altavoces utilizan filtros divisores de frecuencia analógicos pasivos , y los ecualizadores analógicos emplean condensadores para seleccionar diferentes bandas de audio.
Detección
La mayoría de los condensadores están diseñados para mantener una estructura física fija. Sin embargo, diversos factores pueden modificar la estructura del condensador; el cambio resultante en la capacitancia puede utilizarse para detectar dichos factores.
Cambiando el dieléctrico
Los efectos de variar las características del dieléctrico también pueden utilizarse para la detección y la medición. Los condensadores con un dieléctrico expuesto y poroso pueden emplearse para medir la humedad del aire. Asimismo, se utilizan para medir con precisión el nivel de combustible en los aviones ; a medida que el combustible cubre una mayor superficie de un par de placas, aumenta la capacitancia del circuito.
Cambiar la distancia entre las placas
Un condensador con una placa flexible puede utilizarse para medir la tensión, la presión o el peso .
Los transmisores de presión industriales utilizados para el control de procesos emplean diafragmas sensibles a la presión, que forman una placa de condensador de un circuito oscilador. Los condensadores se utilizan como sensores en micrófonos de condensador , donde una placa se mueve por la presión del aire, en relación con la posición fija de la otra placa. Algunos acelerómetros utilizan condensadores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) grabados en un chip para medir la magnitud y la dirección del vector de aceleración. [ 3 ] Se utilizan para detectar cambios en la aceleración, por ejemplo, como sensores de inclinación o para detectar caída libre, como sensores que activan el despliegue de airbags y en muchas otras aplicaciones. Algunos sensores de huellas dactilares utilizan condensadores.
Modificar el área efectiva de las placas
Los interruptores táctiles capacitivos se utilizan actualmente en muchos productos electrónicos de consumo.
osciladores
En un circuito oscilador, un condensador puede comportarse como un resorte. En el ejemplo de la imagen, el condensador influye en la tensión de polarización en la base del transistor NPN. La frecuencia de oscilación depende de la resistencia de los resistores del divisor de tensión y de la capacitancia del condensador.
Riesgos y seguridad
Los condensadores pueden retener carga mucho después de desconectar la alimentación de un circuito; esta carga puede provocar descargas peligrosas, incluso potencialmente mortales, o dañar los equipos conectados. Por ejemplo, incluso un dispositivo aparentemente inofensivo, como un flash desechable para cámara alimentado por una pila AA de 1,5 voltios, contiene un condensador que puede cargarse a más de 300 voltios. Esto puede provocar fácilmente una descarga eléctrica. Los procedimientos de mantenimiento de los dispositivos electrónicos suelen incluir instrucciones para descargar condensadores grandes o de alto voltaje. Los condensadores también pueden tener resistencias de descarga integradas para disipar la energía almacenada a un nivel seguro en pocos segundos tras desconectar la alimentación. Los condensadores de alto voltaje se almacenan con los terminales en cortocircuito, como protección contra voltajes potencialmente peligrosos debido a la absorción dieléctrica.
Algunos condensadores antiguos y grandes, rellenos de aceite, contienen bifenilos policlorados (PCB). Se sabe que los residuos de PCB pueden filtrarse a las aguas subterráneas en los vertederos. Los condensadores que contenían PCB se etiquetaban con la marca "Askarel" y otros nombres comerciales. Estos condensadores se encuentran en balastos de lámparas fluorescentes muy antiguos (anteriores a 1975) y en otras aplicaciones.
Los condensadores de alta tensión pueden fallar catastróficamente al ser sometidos a tensiones o corrientes superiores a su capacidad nominal, o al llegar al final de su vida útil. Las fallas en las interconexiones dieléctricas o metálicas pueden generar arcos eléctricos que vaporizan el fluido dieléctrico, provocando abultamientos, roturas o incluso explosiones en la carcasa. Los condensadores utilizados en aplicaciones de radiofrecuencia o de alta corriente sostenida pueden sobrecalentarse, especialmente en el centro de los conjuntos de condensadores. Los condensadores utilizados en bancos de condensadores de alta energía pueden explotar violentamente cuando un cortocircuito en uno de ellos provoca la descarga repentina de la energía almacenada en el resto del banco hacia la unidad defectuosa. Los condensadores de vacío de alta tensión pueden generar rayos X suaves incluso durante su funcionamiento normal. Un confinamiento, fusibles y mantenimiento preventivo adecuados pueden ayudar a minimizar estos riesgos.
Los condensadores de alta tensión pueden beneficiarse de una precarga para limitar las corrientes de irrupción al encender circuitos de corriente continua de alta tensión (HVDC). Esto prolongará la vida útil del componente y puede mitigar los riesgos asociados a la alta tensión.
Véase también
Referencias
- ↑ ¿ Solución para el automóvil de próxima generación? Científicos amplían los usos del condensador electrostático. Archivado el 29 de abril de 2009 en Wayback Machine .
- ↑ industrial-europe.com
- ↑ Yazdi, Navid; Ayazi, Farrokh; Najafi, Khalil (agosto de 1998). "Sensores inerciales micromecanizados" (PDF) . Actas del IEEE . 86 (8): 1641–1644 .
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