Condensadores de corriente alterna

¿Qué es la corriente alterna?

Si consideramos una corriente continua, entonces no siempre puede ser perfectamente constante: el voltaje en la salida de la fuente puede depender de la carga o del grado de descarga de la batería o la batería galvánica. Incluso con un voltaje estabilizado constante, la corriente en el circuito externo depende de la carga, lo que confirma la ley de Ohm. Resulta que esto tampoco es una corriente constante, pero esa corriente tampoco puede llamarse variable, ya que no cambia de dirección.

Una variable generalmente se llama voltaje o corriente, cuya dirección y magnitud no cambia bajo la influencia de factores externos, como una carga, sino que es completamente "independiente": así es como la genera el generador. Además, estos cambios deben ser periódicos, es decir repetir durante un cierto período de tiempo llamado período.

Si el voltaje o la corriente cambian de alguna manera, sin preocuparse por la frecuencia y otras regularidades, dicha señal se llama ruido. Un ejemplo clásico es "nieve" en una pantalla de TV con una señal de transmisión débil. En la Figura 1 se muestran ejemplos de algunas señales eléctricas periódicas.

Para corriente continua, solo hay dos características: la polaridad y el voltaje de la fuente. En el caso de la corriente alterna, estas dos cantidades claramente no son suficientes, por lo que aparecen varios parámetros más: amplitud, frecuencia, período, fase, valor instantáneo y efectivo.

Figura 1Ejemplos de algunas señales eléctricas periódicas.

Con mayor frecuencia en tecnología, uno tiene que lidiar con oscilaciones sinusoidales, además, no solo en ingeniería eléctrica. Imagina una rueda de coche. Al conducir de manera uniforme en un buen camino liso, el centro de la rueda describe una línea recta paralela a la superficie del camino. Al mismo tiempo, cualquier punto en la periferia de la rueda se mueve a lo largo de una sinusoide en relación con la línea que se acaba de mencionar.

Lo anterior puede confirmarse con la Figura 2, que muestra un método gráfico para construir una sinusoide: quien estudió bien el dibujo sabe cómo realizar tales construcciones.

Figura 2Método de onda sinusoidal gráfica

Desde el curso de física de la escuela se sabe que una sinusoide es la más común y adecuada para estudiar una curva periódica. Exactamente de la misma manera, se obtienen oscilaciones sinusoidales en alternadoresdebido a su dispositivo mecánico.

La figura 3 muestra un gráfico de la corriente sinusoidal.

Figura 3Gráfico de corriente sinusoidal

Es fácil ver que la magnitud de la corriente varía con el tiempo, por lo tanto, el eje de ordenadas se indica en la figura como i (t), es la función de la corriente frente al tiempo. El período completo de la corriente se indica mediante una línea continua y tiene un período T. Si comienza la consideración desde el origen, puede ver que al principio la corriente aumenta, llega a Imax, pasa por cero, disminuye a –Imax y luego aumenta y llega a cero. A continuación, comienza el siguiente período, como lo muestra la línea discontinua.

En la forma de una fórmula matemática, el comportamiento actual se escribe de la siguiente manera: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Aquí i (t) es el valor instantáneo de la corriente, dependiendo del tiempo, Imax es el valor de amplitud (desviación máxima del estado de equilibrio), ω es la frecuencia circular (2 * π * f), φ es el ángulo de fase.

La frecuencia circular ω se mide en radianes por segundo y el ángulo de fase φ en radianes o grados. Esto último solo tiene sentido cuando hay dos corrientes sinusoidales. Por ejemplo, en cadenas con condensador la corriente está por delante del voltaje 90 by o exactamente un cuarto del período, como se muestra en la Figura 4. Si hay una corriente sinusoidal, puede moverla a lo largo del eje de ordenadas como desee, y nada cambiará a partir de esto.

Figura 4 En los circuitos con condensador, la corriente está por delante del voltaje en un cuarto de período.

El significado físico de la frecuencia circular ω es qué ángulo en radianes "atravesará" una sinusoide en un segundo.

Periodo: T es el tiempo durante el cual la onda sinusoidal realizará una oscilación completa. Lo mismo se aplica a las vibraciones de una forma diferente, por ejemplo, rectangular o triangular. El período se mide en segundos o unidades más pequeñas: milisegundos, microsegundos o nanosegundos.

Otro parámetro de cualquier señal periódica, incluida una sinusoide, es la frecuencia, cuántas oscilaciones hará la señal en 1 segundo. La unidad de medida de frecuencia es Hertz (Hz), llamada así por el científico del siglo XIX Heinrich Hertz. Entonces, la frecuencia de 1 Hz no es más que una oscilación / segundo. Por ejemplo, la frecuencia de la red de iluminación es de 50Hz, es decir, exactamente 50 períodos sinusoidales pasan en un segundo.

Si se conoce el período actual (puede medir con un osciloscopio), entonces la frecuencia de la señal ayudará a encontrar la fórmula: f = 1 / T. Además, si el tiempo se expresa en segundos, el resultado estará en hercios. Por el contrario, T = 1 / f, frecuencia en Hz, el tiempo se obtiene en segundos. Por ejemplo, cuando 50 hertzios el período será 1/50 = 0.02 segundos, o 20 milisegundos. En electricidad, las frecuencias más altas se usan con mayor frecuencia: KHz - kilohercios, MHz - megahercios (miles y millones de oscilaciones por segundo), etc.

Todo lo dicho para la corriente también es cierto para el voltaje alterno: en la Fig. 6 es suficiente simplemente cambiar la letra I a U. La fórmula se verá así: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Estas explicaciones son suficientes para volver a experimentar con condensadores y explicar su significado físico.

El condensador conduce corriente alterna, que se muestra en el diagrama de la Figura 3 (ver artículo - Condensadores para instalaciones eléctricas de corriente alterna.) El brillo de la lámpara aumenta cuando se conecta un condensador adicional. Cuando los condensadores están conectados en paralelo, sus capacidades simplemente se suman, por lo que se puede suponer que la capacidad Xc depende de la capacidad. Además, también depende de la frecuencia de la corriente y, por lo tanto, la fórmula se ve así: Xc = 1/2 * π * f * C.

De la fórmula se desprende que Al aumentar la capacitancia y la frecuencia de la tensión alterna, la reactancia Xc disminuye. Estas dependencias se muestran en la Figura 5.

Figura 5. La dependencia de la reactancia del condensador de la capacitancia

Si sustituimos la frecuencia en Hertz en la fórmula y la capacitancia en Faradios, entonces el resultado estará en ohmios.

¿Se calentará el condensador?

Ahora recuerde la experiencia con un condensador y un medidor eléctrico, ¿por qué no gira? El hecho es que el medidor considera la energía activa cuando el consumidor es una carga puramente activa, por ejemplo, lámparas incandescentes, un hervidor eléctrico o una estufa eléctrica. Para tales consumidores, el voltaje y la corriente coinciden en fase, tienen un signo: si multiplica dos números negativos (voltaje y corriente durante el medio ciclo negativo), el resultado de acuerdo con las leyes de las matemáticas sigue siendo positivo. Por lo tanto, la capacidad de tales consumidores siempre es positiva, es decir entra en la carga y se libera en forma de calor, como se muestra en la Figura 6 por la línea discontinua.

Figura 6

En el caso de que el condensador esté incluido en el circuito de corriente alterna, la corriente y el voltaje no coinciden en la fase: la corriente está 90 ° por delante de la fase en el voltaje, lo que conduce a una combinación cuando la corriente y el voltaje tienen signos diferentes.

Figura 7

En estos momentos, el poder es negativo. En otras palabras, cuando la potencia es positiva, el capacitor se carga y, cuando es negativo, la energía almacenada se transfiere de regreso a la fuente. Por lo tanto, en promedio resulta en ceros y simplemente no hay nada que contar aquí.

El condensador, a menos que, por supuesto, sea reparable, ni siquiera se calentará. Por lo tanto, a menudo condensador llamado resistencia libre, que permite su uso en fuentes de alimentación de baja potencia sin transformador.Aunque tales bloqueos no se recomiendan debido a su peligro, aún a veces es necesario hacer esto.

Antes de instalar en tal unidad condensador de enfriamiento, debe verificarse mediante una simple conexión a la red: si en media hora el condensador no se ha calentado, se puede incluir de forma segura en el circuito. De lo contrario, solo tienes que tirarlo sin arrepentimiento.

¿Qué muestra un voltímetro?

En la fabricación y reparación de diversos dispositivos, aunque no con mucha frecuencia, es necesario medir tensiones alternas e incluso corrientes. Si un sinusoide se comporta tan agitado, entonces arriba y abajo, ¿qué mostrará un voltímetro normal?

El valor promedio de una señal periódica, en este caso una sinusoide, se calcula como el área delimitada por el eje de abscisas y la imagen gráfica de la señal dividida por 2 * π radianes o el período de la sinusoide. Dado que las partes superior e inferior son absolutamente idénticas, pero tienen signos diferentes, el valor promedio de la sinusoide es cero, y no es necesario medirlo, e incluso simplemente no tiene sentido.

Por lo tanto, el dispositivo de medición nos muestra el valor eficaz de la tensión o corriente. El valor cuadrado medio es el valor de la corriente periódica a la que se libera la misma cantidad de calor en la misma carga que en la corriente continua. En otras palabras, la bombilla brilla con el mismo brillo.

Esto se describe mediante fórmulas como esta: Icrc = 0.707 * Imax = Imax / √2 para voltaje, la fórmula es la misma, solo cambie una letra Ucrc = 0.707 * Umax = Umax / √2. Son estos valores los que muestra el dispositivo de medición. Se pueden sustituir por fórmulas al calcular de acuerdo con la ley de Ohm o al calcular la potencia.

Pero esto no es todo de lo que es capaz un capacitor en una red de CA. En el próximo artículo, consideraremos el uso de condensadores en circuitos pulsados, filtros de paso alto y paso bajo, en generadores de onda sinusoidal y de onda cuadrada.

Boris Aladyshkin

Continuación del artículo: Condensadores en circuitos electrónicos.