Los condensadores tienen muchos usos en sistemas eléctricos y electrónicos. Son tan omnipresentes que es raro que un producto eléctrico no incluya al menos uno para algún propósito.
Almacen de energia
Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando está conectado a su circuito de carga. Y cuando se desconecta de su circuito de carga, puede disipar esa energía almacenada, por lo que puede usarse como una batería temporal . Los condensadores se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos para mantener el suministro de energía mientras se cambian las baterías. (Esto evita la pérdida de información en la memoria volátil).
Condensadores electrostáticos convencionales proporcionan menos de 360 julios por kilogramo de densidad de energía, mientras que los condensadores que utilizan la tecnología en desarrollo pueden proporcionar más de 2,52 kilo joules por kilogramo. [1]
En los sistemas de audio para automóviles , los condensadores grandes almacenan energía para que el amplificador la utilice a demanda.
Una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) se puede equipar con condensadores sin mantenimiento para prolongar la vida útil . [2]
Poder pulsado y armas
Se utilizan grupos de condensadores de alto voltaje de baja inductancia , construidos especialmente, ( bancos de condensadores ) para suministrar grandes pulsos de corriente para muchas aplicaciones de potencia pulsada . Estos incluyen formación electromagnética , generadores Marx , láseres pulsados (especialmente láseres TEA ), redes de formación de pulsos , investigación de fusión y aceleradores de partículas .
Los grandes bancos de condensadores (depósitos) se utilizan como fuentes de energía para los detonadores de alambre de puente que explotan o los detonadores de aplastamiento en armas nucleares y otras armas especiales. El trabajo experimental está en marcha el uso de bancos de condensadores como fuentes de energía para electromagnética armadura y electromagnéticos railguns o coilguns .
Acondicionamiento de energía
Los condensadores de depósito se utilizan en fuentes de alimentación donde suavizan la salida de un rectificador de onda completa o media. También se pueden utilizar en circuitos de bombas de carga como elemento de almacenamiento de energía en la generación de voltajes más altos que el voltaje 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 de los circuitos de señal o control. El equipo de audio, por ejemplo, usa varios capacitores de esta manera, para desviar el zumbido de la línea eléctrica antes de que ingrese al circuito de señal. Los condensadores actúan como una reserva local para la fuente de alimentación de CC y derivan las corrientes de CA de la fuente de alimentación. Esto se utiliza en aplicaciones de audio para automóviles, cuando un capacitor de refuerzo compensa la inductancia y la resistencia de los cables a la batería de plomo-ácido del automóvil.
Corrección del factor de poder
En la distribución de energía eléctrica, los condensadores se utilizan para la corrección del factor de potencia. Dichos condensadores a menudo vienen como tres condensadores conectados como una carga eléctrica trifásica. Por lo general, los valores de estos condensadores no se dan en faradios sino como potencia reactiva en voltios-amperios reactivos (VAr). El propósito es contrarrestar la carga inductiva de dispositivos como motores de inducción, motores eléctricos y líneas de transmisión para hacer que la carga parezca principalmente resistiva. Las cargas individuales de motores o lámparas pueden tener condensadores para la corrección del factor de potencia, o se pueden instalar conjuntos más grandes de condensadores (generalmente con dispositivos de conmutación automática) en un centro de carga dentro de un edificio o en una gran subestación eléctrica de servicios públicos. En los sistemas de transmisión de corriente continua de alto voltaje, los condensadores 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 alimentación de CA.
Supresión y acoplamiento
Los condensadores utilizados para suprimir frecuencias indeseables a veces se denominan condensadores de filtro . Son comunes en equipos eléctricos y electrónicos y cubren una serie de aplicaciones, como:
- Eliminación de fallas en los rieles de alimentación de corriente continua (CC)
- Eliminación de interferencias de radiofrecuencia (RFI) para señales o líneas eléctricas 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 (IF) o radiofrecuencia (RF) (por ejemplo, paso bajo, paso alto, muesca, etc.)
- Supresión de arco , como a través del interruptor de contacto o 'puntos' en un motor de encendido por chispa
Acoplamiento de señales
Debido a que los capacitores pasan CA pero bloquean las señales de CC (cuando se cargan hasta el voltaje de CC aplicado), a menudo se usan para separar los componentes de CA y CC de una señal. Este método se conoce como acoplamiento de CA o "acoplamiento capacitivo". Aquí, se emplea un gran valor de capacitancia, cuyo valor no necesita ser controlado 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 desacoplar una parte de un circuito de otra. El ruido causado por otros elementos del circuito se deriva a través del condensador, lo que reduce el efecto que tienen en el resto del circuito. Se usa más comúnmente entre la fuente de alimentación y la tierra. Un nombre alternativo es condensador de derivación, ya que se utiliza para derivar la fuente de alimentación u otro componente de alta impedancia de un circuito.
Filtros de paso alto y paso bajo
Un filtro de paso alto (HPF) es un filtro electrónico que pasa señales con una frecuencia superior a una determinada frecuencia de corte y atenúa las señales con frecuencias más bajas que la frecuencia de corte. La cantidad de atenuación para cada frecuencia depende del diseño del filtro. Un filtro de paso alto generalmente se modela como un sistema invariante en el tiempo lineal. A veces se le llama filtro de corte de graves o filtro de corte de graves. [1] Los filtros de paso alto tienen muchos usos, como el bloqueo de CC de circuitos sensibles a voltajes promedio distintos de cero o dispositivos de radiofrecuencia. También se pueden utilizar junto con un filtro de paso bajo para producir un filtro de paso de banda.
Un filtro de paso bajo (LPF) es un filtro que pasa señales con una frecuencia más baja que una frecuencia de corte seleccionada y atenúa señales con frecuencias más altas que la frecuencia de corte. La respuesta de frecuencia exacta del filtro depende del diseño del filtro. El filtro a veces se denomina filtro de corte alto o [[ [3] ]] en aplicaciones de audio. Un filtro de paso bajo es el complemento de un filtro de paso alto.
Filtros de ruido y amortiguadores
Cuando se abre un circuito inductivo, la corriente a través de la inductancia colapsa rápidamente, creando un gran voltaje en el circuito abierto del interruptor o relé. Si la inductancia es lo suficientemente grande, la energía generará una chispa eléctrica , lo que provocará que los puntos de contacto se oxiden, se deterioren o, a veces, se suelden entre sí o destruyan un interruptor de estado sólido. Un condensador amortiguador a través del circuito recién abierto crea un camino para que este impulso pase por alto los puntos de contacto, preservando así su vida; estos se encuentran comúnmente en los sistemas de encendido de interruptores de contacto , por ejemplo. De manera similar, en circuitos de menor escala, la chispa puede no ser suficiente para dañar el interruptor, pero aún irradiará interferencias de radiofrecuencia (RFI) no deseadas , que absorbe un condensador de filtro . Los condensadores amortiguadores se emplean generalmente con una resistencia de bajo valor en serie, para disipar energía y minimizar la RFI. Estas combinaciones de resistor-condensador están disponibles en un solo paquete.
Los condensadores también se utilizan en paralelo para interrumpir unidades de un disyuntor de alto voltaje con el fin de distribuir equitativamente el voltaje entre estas unidades. En este caso, se denominan condensadores de clasificación.
En los diagramas esquemáticos, un condensador utilizado principalmente para el almacenamiento de carga de CC a menudo se dibuja verticalmente en los diagramas de circuito con la placa inferior, más negativa, dibujada como un arco. La placa recta indica el terminal positivo del dispositivo, si está polarizado (ver condensador electrolítico ).
Supresión de motor DC
Los condensadores de disco cerámico se utilizan generalmente en circuitos amortiguadores para motores de bajo voltaje por su baja inductancia y bajo costo.
Filtrado de fuente de alimentación en modo conmutado
A menudo se requieren electrolíticos de baja ESR (resistencia en serie equivalente) para manejar la alta corriente de ondulación .
Filtrado de red
Los condensadores de filtro de red suelen ser del tipo de película plástica enrollada encapsulada, ya que proporcionan una clasificación de alto voltaje a bajo costo, y pueden ser autocurables y fusibles. Los condensadores de filtro de red son a menudo condensadores cerámicos de supresión de RFI / EMI . Los requisitos de seguridad adicionales para el filtrado de red son:
- Los condensadores de línea a neutro son retardadores de llama y en Europa se requiere el uso de dieléctricos de clase X.
- Línea o neutro a tierra: debe ser retardante de llama; Además, el dieléctrico debe ser autocurativo y fusible. En Europa, estos son condensadores de clase Y.
Filtrado de carril de potencia
Los condensadores electrolíticos se utilizan generalmente debido a su alta capacidad a bajo costo y bajo tamaño. Los no electrolíticos más pequeños pueden combinarse con estos para compensar el bajo rendimiento de los electrolíticos a altas frecuencias.
Las computadoras utilizan una gran cantidad de condensadores de filtro, por lo que el tamaño es un factor importante. Los condensadores de tantalio sólido y de tantalio húmedo ofrecen algunos de los mejores rendimientos de CV (capacitancia / voltaje) en algunos de los envases más eficientes volumétricamente disponibles. Las altas corrientes y los bajos voltajes también hacen que la resistencia en serie equivalente baja (ESR) sea importante. Los capacitores de tantalio sólidos ofrecen versiones de ESR baja que a menudo pueden cumplir con los requisitos de ESR, pero no son la opción de ESR más baja entre todos los capacitores. Los tantalios sólidos tienen un problema adicional que debe abordarse durante la etapa de diseño. Los condensadores de tantalio sólidos deben tener una reducción de voltaje en todas las aplicaciones. Se recomienda una reducción de voltaje del 50% y generalmente se acepta como estándar de la industria; Por ejemplo, un condensador de tantalio sólido de 50 V nunca debe exponerse a un voltaje de aplicación real superior a 25 V. Los capacitores de tantalio sólidos son componentes muy confiables si se toma el cuidado adecuado y se siguen cuidadosamente todas las pautas de diseño. Desafortunadamente, el mecanismo de falla de un capacitor de tantalio sólido es un cortocircuito que resultará en una llamarada violenta y humo en una PCB capaz de dañar otros componentes cercanos, así como destruir completamente el capacitor. Afortunadamente, la mayoría de las fallas de los capacitores de tantalio sólido serán inmediatas y muy evidentes. Una vez en la aplicación, el rendimiento del condensador de tantalio sólido mejorará con el tiempo y disminuirán las posibilidades de una falla debido a una mala fabricación de los componentes. Los tantalios húmedos 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 que un tantalio sólido y su mecanismo de falla está abierto. Se recomienda una curva de reducción de voltaje del 10% al 20% para los tantalios húmedos cuando se opera de 85 ° C a 125 ° C. El tántalo húmedo no se suele denominar simplemente "electrolíticos" porque normalmente "electrolítico" se refiere a los electrolíticos de aluminio.
Arrancadores de motor
En los motores de jaula de ardilla monofásicos, el devanado primario dentro de la carcasa del motor no es capaz de iniciar un movimiento de rotación en el rotor, pero es capaz de sostenerlo. Para arrancar el motor, se utiliza un devanado secundario en serie con un condensador de arranque no polarizado para introducir un retraso en la corriente sinusoidal a través del devanado de arranque. Cuando el devanado secundario se coloca en ángulo con respecto al devanado primario, se crea un campo eléctrico giratorio. La fuerza del campo rotacional no es constante, pero es suficiente para que el rotor comience a girar. Cuando el rotor se acerca 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 normalmente se monta al costado de la carcasa del motor. Estos se denominan motores de arranque por condensador y tienen un par de arranque relativamente alto.
También hay motores de inducción con condensador que tienen un condensador de desplazamiento de fase conectado permanentemente en serie con un segundo devanado. El motor es muy parecido a un motor de inducción de dos fases.
Los condensadores de arranque del motor son típicamente tipos electrolíticos no polarizados, mientras que los condensadores de funcionamiento son tipos dieléctricos convencionales de papel o película plástica .
Procesamiento de la señal
La energía almacenada en el condensador se puede utilizar para representar información, ya sea en forma binaria, como en las DRAM , o en forma analógica, como en los filtros muestreados analógicos y los CCD de dispositivos acoplados por carga . Los condensadores se pueden utilizar en circuitos analógicos como componentes de integradores o filtros más complejos y en la estabilización de bucle de retroalimentación negativa . Los circuitos de procesamiento de señales también utilizan condensadores para integrar una señal de corriente.
Circuitos sintonizados
Los condensadores y los inductores se aplican juntos en circuitos sintonizados para seleccionar información en bandas de frecuencia particulares. Por ejemplo, los receptores de radio dependen de capacitores variables para sintonizar la frecuencia de la estación. Los altavoces utilizan cruces analógicos pasivos y los ecualizadores analógicos utilizan condensadores para seleccionar diferentes bandas de audio.
Sintiendo
La mayoría de los condensadores están diseñados para mantener una estructura física fija. Sin embargo, varios factores pueden cambiar la estructura del condensador; el cambio resultante en la capacitancia se puede utilizar para detectar esos factores.
Cambiar el dieléctrico
Los efectos de variar las características del dieléctrico también se pueden utilizar para detección y medición. Se pueden usar condensadores con un dieléctrico expuesto y poroso para medir la humedad en el aire. Los condensadores se utilizan para medir con precisión el nivel de combustible en los aviones ; a medida que el combustible cubre más de un par de placas, aumenta la capacitancia del circuito.
Cambiar la distancia entre las placas
Se puede utilizar un condensador con una placa flexible para medir la tensión, la presión o el peso .
Los transmisores de presión industriales utilizados para el control de procesos utilizan diafragmas sensores de presión, que forman una placa de condensador de un circuito oscilador. Los condensadores se utilizan como sensor 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. 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 del airbag y en muchas otras aplicaciones. Algunos sensores de huellas dactilares utilizan condensadores.
Cambiar el área efectiva de las placas.
Los interruptores táctiles capacitivos ahora se utilizan en muchos productos electrónicos de consumo.
Osciladores
Un capacitor puede poseer cualidades similares a un resorte en un circuito oscilador. En el ejemplo de la imagen, un capacitor actúa para influir en el voltaje de polarización en la base del transistor npn. Los valores de resistencia de las resistencias divisoras de voltaje y el valor de capacitancia del capacitor juntos controlan la frecuencia oscilatoria.
Peligros y seguridad
Los condensadores pueden retener una carga mucho tiempo después de que se desconecta la alimentación de un circuito; esta carga puede provocar descargas eléctricas peligrosas o incluso potencialmente mortales o dañar el equipo conectado. Por ejemplo, incluso un dispositivo aparentemente inocuo, como una unidad de flash de cámara desechable alimentada por una batería AA de 1,5 voltios, contiene un condensador que puede cargarse a más de 300 voltios. Esto es fácilmente capaz de producir una descarga. Los procedimientos de servicio para dispositivos electrónicos generalmente incluyen instrucciones para descargar capacitores grandes o de alto voltaje. Los condensadores también pueden tener resistencias de descarga incorporadas para disipar la energía almacenada a un nivel seguro en unos pocos segundos después de que se corta la energía. Los condensadores de alto voltaje se almacenan con los terminales en corto, como protección contra voltajes potencialmente peligrosos debido a la absorción dieléctrica.
Algunos condensadores viejos y grandes llenos de aceite contienen bifenilos policlorados (PCB). Se sabe que los PCB de desecho pueden filtrarse al agua subterránea debajo de los vertederos. Los condensadores que contienen PCB se etiquetaron como que contienen "Askarel" y varios otros nombres comerciales. Los condensadores llenos de PCB se encuentran en balastos de lámparas fluorescentes muy antiguos (anteriores a 1975) y en otras aplicaciones.
Los condensadores de alto voltaje pueden fallar catastróficamente cuando se someten a voltajes o corrientes más allá de su capacidad nominal, o cuando alcanzan su final de vida normal. Las fallas de interconexión dieléctricas o metálicas pueden crear un arco eléctrico que vaporice el fluido dieléctrico, dando como resultado abultamiento, ruptura o incluso una explosión. Los condensadores utilizados en aplicaciones de RF o de alta corriente sostenida pueden sobrecalentarse, especialmente en el centro de los rodillos del condensador. Los condensadores utilizados dentro de los bancos de condensadores de alta energía pueden explotar violentamente cuando un cortocircuito en un condensador provoca un vertido repentino de la energía almacenada en el resto del banco en la unidad defectuosa. Los condensadores de vacío de alto voltaje pueden generar rayos X suaves incluso durante el funcionamiento normal. La contención, la fusión y el mantenimiento preventivo adecuados pueden ayudar a minimizar estos peligros.
Los condensadores de alto voltaje pueden beneficiarse de una precarga para limitar las corrientes de entrada en el momento del encendido de los circuitos de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Esto prolongará la vida útil del componente y puede mitigar los peligros de alto voltaje.
Ver también
- Eliminación de fallas
Referencias
- ^ ¿Solución de automóvil de próxima generación? Los científicos amplían los usos del condensador electrostático. Archivado el 29 de abril de 2009 en la Wayback Machine.
- ^ industrial-europe.com [ enlace muerto permanente ]
- ^ filtro de corte de agudos