Condensadores: propósito, dispositivo, principio de funcionamiento.

En todos los dispositivos de radio y electrónicos, excepto los transistores y microcircuitos, se utilizan condensadores. En algunos circuitos hay más, en otros menos, pero prácticamente no hay circuitos electrónicos sin condensadores.

En este caso, los condensadores pueden realizar una variedad de tareas en los dispositivos. En primer lugar, estos son contenedores en los filtros de rectificadores y estabilizadores. Con la ayuda de condensadores, se transmite una señal entre las etapas del amplificador, se construyen filtros de baja y alta frecuencia, se establecen intervalos de tiempo en los retrasos y se selecciona la frecuencia de oscilación en varios generadores.

Condensadores conducen desde bancos leidenque a mediados del siglo XVIII fue utilizado en sus experimentos por el científico holandés Peter van Mushenbrook. Él vivía en la ciudad de Leiden, por lo que es fácil adivinar por qué se llamó a este banco.

En realidad, este era un frasco de vidrio ordinario, forrado por dentro y por fuera con una lámina de estaño - estaniol. Se utilizó para los mismos fines que el aluminio moderno, pero el aluminio aún no estaba abierto.

La única fuente de electricidad en esos días era una máquina de electróforos, capaz de desarrollar un voltaje de hasta varios cientos de kilovoltios. Fue de ella que cargaron un frasco de Leyden. En los libros de texto de física, se describe un caso cuando Mushenbrook descargó su lata a través de una cadena de diez guardias tomados de la mano.

En ese momento, nadie sabía que las consecuencias podrían ser trágicas. El golpe resultó ser bastante sensible, pero no fatal. No se llegó a esto, porque la capacidad del frasco de Leyden era insignificante, el impulso resultó ser muy breve, por lo que la potencia de descarga fue pequeña.

Como es el condensador

El dispositivo del condensador prácticamente no es diferente del frasco de Leyden: las mismas dos placas, separadas por un dieléctrico. Así es como se representan los condensadores en los circuitos eléctricos modernos. La figura 1 muestra una estructura esquemática de un condensador plano y la fórmula para su cálculo.

Figura 1. Dispositivo de condensador plano

Aquí S es el área de la placa en metros cuadrados, d es la distancia entre las placas en metros, C es la capacitancia en faradios, ε es la constante dieléctrica del medio. Todos los valores incluidos en la fórmula se indican en el sistema SI. Esta fórmula es válida para el condensador plano más simple: simplemente puede colocar dos placas de metal junto a ellas, de las cuales se extraen conclusiones. El aire puede servir como dieléctrico.

De esta fórmula se puede entender que el condensador es más grande, cuanto mayor es el área de las placas y menor es la distancia entre ellas. Para condensadores con una geometría diferente, la fórmula puede ser diferente, por ejemplo, para la capacitancia de un solo conductor o cable electrico. Pero la dependencia de la capacitancia en el área de las placas y la distancia entre ellas es la misma que la de un capacitor plano: cuanto mayor es el área y menor es la distancia, mayor es la capacitancia.

De hecho, las placas no siempre se hacen planas. Para muchos condensadores, por ejemplo, de metal, las placas son de papel de aluminio enrollado junto con un dieléctrico de papel en una bola apretada, en forma de caja de metal.

Para aumentar la resistencia eléctrica, el papel delgado del condensador se impregna con composiciones aislantes, con mayor frecuencia aceite de transformador. Este diseño le permite hacer condensadores con una capacidad de hasta varios cientos de microfaradios. Los condensadores con otros dieléctricos están dispuestos de manera similar.

La fórmula no contiene ninguna restricción en el área de las placas S y la distancia entre las placas d.Si suponemos que las placas pueden llevarse muy lejos, y al mismo tiempo hacen que el área de las placas sea muy pequeña, entonces quedará algo de capacidad, aunque pequeña. Este razonamiento sugiere que incluso solo dos conductores ubicados en el vecindario tienen capacitancia eléctrica.

Esta circunstancia se usa ampliamente en la tecnología de alta frecuencia: en algunos casos, los condensadores se fabrican simplemente en forma de pistas de circuito impreso, o incluso solo dos cables trenzados en aislamiento de polietileno. Los fideos o cables ordinarios también tienen una capacidad, y con el aumento de la longitud aumenta.

Además de la capacitancia C, cualquier cable también tiene resistencia R. Ambas propiedades físicas se distribuyen a lo largo de la longitud del cable y, cuando transmiten señales pulsadas, funcionan como una cadena RC integradora, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2

En la figura, todo es simple: aquí está el circuito, aquí está la señal de entrada, pero aquí está en la salida. El impulso se distorsiona más allá del reconocimiento, pero esto se hace a propósito, para lo cual se ensambla el circuito. Mientras tanto, estamos hablando del efecto de la capacitancia del cable en la señal de pulso. En lugar de un impulso, aparecerá una "campana" en el otro extremo del cable, y si el impulso es corto, es posible que no llegue al otro extremo del cable, desaparecerá por completo.

Hecho histórico

Aquí es bastante apropiado recordar la historia de cómo se tendió el cable transatlántico. El primer intento en 1857 falló: los puntos del telégrafo - guiones (pulsos rectangulares) fueron distorsionados para que nada pudiera ser desarmado en el otro extremo de la línea de 4000 km.

Se hizo un segundo intento en 1865. En este momento, el físico inglés W. Thompson había desarrollado la teoría de la transmisión de datos a través de largas filas. A la luz de esta teoría, el enrutamiento del cable resultó ser más exitoso y pudimos recibir señales.

Para esta hazaña científica, la reina Victoria le otorgó al científico el título de caballero y el título de Lord Kelvin. Ese era el nombre de la pequeña ciudad en la costa de Irlanda, donde comenzó el tendido de cables. Pero esto es solo una palabra, y ahora volvemos a la última letra de la fórmula, es decir, a la constante dieléctrica del medio ε.

Un poco sobre dieléctricos

Este ε está en el denominador de la fórmula, por lo tanto, su aumento implicará un aumento en la capacidad. Para la mayoría de los dieléctricos utilizados, como aire, lavsan, polietileno, fluoroplástico, esta constante es casi la misma que la del vacío. Pero al mismo tiempo, hay muchas sustancias cuya constante dieléctrica es mucho mayor. Si el condensador de aire está lleno de acetona o alcohol, entonces su capacidad aumentará cada 15 ... 20.

Pero tales sustancias, además de un alto ε, también tienen una conductividad suficientemente alta, por lo tanto, dicho condensador no mantendrá una carga bien, se descargará rápidamente a través de sí mismo. Este fenómeno nocivo se llama corriente de fuga. Por lo tanto, se están desarrollando materiales especiales para dieléctricos que, con una alta capacidad específica de condensadores, proporcionan corrientes de fuga aceptables. Esto explica la diversidad de tipos y tipos de condensadores, cada uno de los cuales está diseñado para condiciones específicas.

Condensador electrolítico

La mayor capacidad específica (relación capacidad / volumen) condensadores electrolíticos. La capacidad de los "electrolitos" alcanza hasta 100,000 microfaradios, y el voltaje de operación es de hasta 600V. Dichos condensadores funcionan bien solo a bajas frecuencias, con mayor frecuencia en filtros de fuentes de alimentación. Los condensadores electrolíticos se encienden en polaridad.

Los electrodos en tales condensadores son una película delgada de óxido metálico, por lo que a menudo estos condensadores se denominan óxido. Una capa delgada de aire entre dichos electrodos no es un aislante muy confiable, por lo tanto, se introduce una capa de electrolito entre las placas de óxido. Muy a menudo, estas son soluciones concentradas de ácidos o álcalis.

La Figura 3 muestra uno de estos condensadores.

Figura 3. Condensador electrolítico.

Para evaluar el tamaño del condensador, se fotografió una simple caja de fósforos al lado. Además de una capacidad suficientemente grande en la figura, también puede ver el porcentaje de tolerancia: no menos del 70% del valor nominal.

En aquellos días cuando las computadoras eran grandes y se llamaban computadoras, tales condensadores estaban en unidades (en el HDD moderno). La capacidad de información de tales unidades ahora solo puede causar una sonrisa: se almacenaron 5 megabytes de información en dos discos con un diámetro de 350 mm, y el dispositivo en sí pesaba 54 kg.

El objetivo principal de los supercondensadores que se muestran en la figura fue la retirada de los cabezales magnéticos del área de trabajo del disco durante un apagón repentino. Dichos condensadores podrían almacenar una carga durante varios años, que se probó en la práctica.

Se ofrecerá un poco más bajo con condensadores electrolíticos para hacer algunos experimentos simples para comprender lo que puede hacer un condensador.

Para trabajar en circuitos de CA, se producen condensadores electrolíticos no polares, eso solo es muy difícil por alguna razón. Para evitar este problema de alguna manera, los "electrolitos" polares comunes incluyen contra-secuencial: más-menos-menos-más.

Si el condensador electrolítico polar se incluye en el circuito de corriente alterna, primero se calentará y luego se escuchará una explosión. Los viejos condensadores domésticos están dispersos en todas las direcciones, mientras que los importados tienen un dispositivo especial que evita disparos fuertes. Esto generalmente es una muesca cruzada en la parte inferior del condensador o un orificio con un tapón de goma ubicado en el mismo lugar.

No les gustan los condensadores electrolíticos de mayor voltaje, incluso si se observa la polaridad. Por lo tanto, nunca debe colocar "electrolitos" en un circuito donde se espera un voltaje cercano al máximo para un capacitor dado.

A veces, en algunos foros, incluso de buena reputación, los principiantes hacen la pregunta: "El condensador 470µF * 16V se indica en el diagrama, y ​​tengo 470µF * 50V, ¿puedo decirlo?" Sí, por supuesto que puede, pero el reemplazo inverso no está permitido.

El condensador puede almacenar energía

Para lidiar con esta afirmación, un simple diagrama que se muestra en la Figura 4 ayudará.

Figura 4. Circuito con condensador

El protagonista de este circuito es un condensador electrolítico C con una capacidad suficientemente grande para que los procesos de carga y descarga se desarrollen lentamente, e incluso con mucha claridad. Esto permite observar visualmente el funcionamiento del circuito utilizando una luz convencional de una linterna. Estas luces han dado paso durante mucho tiempo a los LED modernos, pero todavía se venden bombillas para ellos. Por lo tanto, es muy fácil ensamblar un circuito y realizar experimentos simples.

Tal vez alguien dirá: "¿Por qué? Después de todo, todo es obvio, e incluso si lees la descripción ... " Parece que no hay nada que discutir aquí, pero cualquiera, incluso lo más simple, permanece en la cabeza durante mucho tiempo si su comprensión llega a través de las manos.

Entonces, el circuito está ensamblado. Como trabaja ella?

En la posición del interruptor SA, que se muestra en el diagrama, el condensador C se carga desde la fuente de alimentación GB a través de la resistencia R en el circuito: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. La corriente de carga en el diagrama se muestra mediante una flecha con el índice iз. El proceso de carga de un condensador se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Proceso de carga del condensador

La figura muestra que el voltaje en el condensador aumenta a lo largo de una curva, en matemáticas llamada exponente. La corriente de carga refleja directamente el voltaje de carga. A medida que aumenta el voltaje a través del condensador, la corriente de carga se vuelve cada vez menor. Y solo en el momento inicial corresponde a la fórmula que se muestra en la figura.

Después de un tiempo, el capacitor se cargará de 0V al voltaje de la fuente de energía, en nuestro circuito a 4.5V. Toda la pregunta es, ¿cómo es hora de determinar cuánto tiempo esperar, cuándo se cargará el capacitor?

Constante de tiempo "tau" τ = R * C

En esta fórmula, la resistencia y la capacitancia de una resistencia y un condensador conectados en serie simplemente se multiplican.Si, sin descuidar el sistema SI, sustituya la resistencia en Ohmios, la capacitancia en Faradios, entonces el resultado será en segundos. Esta vez es necesario que el capacitor cargue hasta 36.8% del voltaje de la fuente de energía. En consecuencia, para un cargo de casi el 100%, se requerirá un tiempo de 5 * τ.

A menudo, descuidando el sistema SI, la resistencia en ohmios se sustituye en la fórmula, y la capacitancia está en microfaradios, entonces el tiempo se convertirá en microsegundos. En nuestro caso, es más conveniente obtener el resultado en segundos, para lo cual simplemente debe multiplicar los microsegundos por un millón o, más simplemente, mover la coma seis caracteres a la izquierda.

Para el circuito que se muestra en la Figura 4, con un condensador de 2000 μF y una resistencia de resistencia de 500 Ω, la constante de tiempo será τ = R * C = 500 * 2000 = 1,000,000 microsegundos o exactamente un segundo. Por lo tanto, tendrá que esperar unos 5 segundos hasta que el capacitor esté completamente cargado.

Si, después de transcurrido el tiempo especificado, el interruptor SA se gira a la posición correcta, entonces el condensador C se descarga a través de la bombilla EL. En este momento, se producirá un breve destello, el condensador se descargará y la luz se apagará. La dirección de descarga del condensador se muestra mediante una flecha con el índice ip. El tiempo de descarga también está determinado por la constante de tiempo τ. El gráfico de descarga se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Gráfico de descarga del condensador

El condensador no pasa corriente continua

Para verificar esta afirmación, un esquema aún más simple, que se muestra en la Figura 7, ayudará.

Figura 7. Circuito con un condensador en el circuito de CC

Si cierra el interruptor SA, seguirá un breve destello de la bombilla, que indica que el condensador C se carga a través de la bombilla. El gráfico de carga también se muestra aquí: en el momento en que se cierra el interruptor, la corriente es máxima, a medida que el condensador se carga, disminuye y, después de un tiempo, se detiene por completo.

Si el condensador es de buena calidad, es decir con una pequeña corriente de fuga (autodescarga), el cierre repetido del interruptor no provocará un destello. Para obtener otro flash, el condensador tendrá que descargarse.

Condensador en filtros de potencia

El condensador generalmente se coloca después del rectificador. Muy a menudo, los rectificadores se hacen de media onda. Los circuitos rectificadores más comunes se muestran en la Figura 8.

Figura 8. Circuitos rectificadores

Los rectificadores de media onda también se usan con bastante frecuencia, por regla general, en casos en que la potencia de carga es insignificante. La calidad más valiosa de tales rectificadores es la simplicidad: solo un diodo y devanado de transformador.

Para un rectificador de media onda, la capacitancia del condensador de filtro se puede calcular mediante la fórmula

C = 1,000,000 * Po / 2 * U * f * dU, donde C es el condensador μF, Po es la potencia de carga W, U es el voltaje en la salida del rectificador V, f es la frecuencia del voltaje de CA Hz, dU es la amplitud de ondulación V.

Un gran número en el numerador de 1,000,000 convierte la capacitancia del capacitor del sistema Faradios a microfaradios. Los dos en el denominador representan el número de medios períodos del rectificador: para una media onda en su lugar, aparecerá una unidad

C = 1,000,000 * Po / U * f * dU,

y para un rectificador trifásico, la fórmula tomará la forma C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercondensador - Ionistor

Recientemente, una nueva clase de condensadores electrolíticos, los llamados ionistor. En sus propiedades, es similar a una batería, sin embargo, con varias limitaciones.

El ionistor se carga a la tensión nominal en poco tiempo, literalmente en unos minutos, por lo que es aconsejable utilizarlo como fuente de alimentación de respaldo. De hecho, el ionistor es un dispositivo no polar, lo único que determina su polaridad es la carga en la fábrica. Para no confundir esta polaridad en el futuro, se indica con el signo +.

Las condiciones de funcionamiento de los ionistores juegan un papel importante. A una temperatura de 70 ° C con un voltaje de 0.8 de la durabilidad nominal garantizada de no más de 500 horas.Si el dispositivo funcionará a un voltaje de 0.6 del nominal, y la temperatura no excede los 40 grados, entonces la operación adecuada es posible por 40,000 horas o más.

Las aplicaciones de ionistor más comunes son las fuentes de energía de respaldo. Estos son principalmente chips de memoria o relojes electrónicos. En este caso, el parámetro principal del ionistor es una corriente de fuga baja, su autodescarga.

Muy prometedor es el uso de ionistores en conjunto con paneles solares. También afecta la no criticidad de la condición de carga y el número casi ilimitado de ciclos de carga-descarga. Otra propiedad valiosa es que el ionistor no requiere mantenimiento.

Hasta ahora ha resultado indicar cómo y dónde funcionan los condensadores electrolíticos, y principalmente en los circuitos de CC. El funcionamiento de los condensadores en los circuitos de CA se describirá en otro artículo: Condensadores para instalaciones eléctricas de corriente alterna..

Boris Aladyshkin 

P.S. Un caso de uso interesante para condensadores: soldadura de condensadores