Cicrcuitos Puramente Capaciivos

LOS CAPACITORES EN LOS CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA

Reactancia capacitiva

Si se conecta un capacitor a una fuente de corriente alterna, este se cargará y descargará continuamente conforme el voltaje de C.A. cambia de dirección. Por tanto, la corriente cambiará alternativamente de sentido conforme el capacitor se carga y se descarga.

La figura anterior muestra un capacitor de 26.52 microfaradios, conectado a una fuente de 100 volts y 60 ciclos. Un amperímetro colocado en el circuito indica una corriente de un ampere. Los electrones no pasan a través del capacitor porque sus placas están separadas por material aislador. Sin embargo, una corriente hacia y de las placas del capacitor conforme este se carga y descarga durante un ciclo. Como se forma un campo electrostático entre las placas, el voltaje de oposición aumente y se opone al voltaje de la línea limitando, así, la corriente. Este voltaje de oposición de un capacitor es, realmente, una fuerza contraelectromotriz.

La inductancia en un circuito de C.A. produce también una fuerza contraelectromotriz cuyo efecto para limitar la corriente con un circuito de C.A. se mide como ohms de reactancia inductiva. De la misma manera, el efecto limitador de la corriente de la capacitancia en un circuito de C.A. se mide en una unidad óhmica especial llamada reactancia capacitiva.

En otras palabras, la reactancia capacitiva es una propiedad de un capacitor al circular por él una corriente alterna y se refleja como una oposición a la circulación de la C.A a través del mismo.

La fórmula de dicha reactancia capacitiva (Xc) es:

Xc=1/2πfC

2π: es una constante.

f: es la frecuencia en ciclos por segundo.

C: es la capacitancia en faradios.

Para calcular la reactancia capacitiva en la figura anteriormente mostrada, tenemos que:

Xc=1/2πfC=1/(2π(60)(0.00002652))=1/0.0997=100.021 ohms de reactancia capacitiva

Para determinar la corriente en amperes en este circuito, se usa una adaptación especial de la ley de Ohm en la que la reactancia capacitiva (Xc) sustituye a la resistencia (R):

I=E/Xc=100/100.021=0.999 o redondeando:1 ampere

La fórmula de Xc=1/2πfC demuestra que los ohms de la reactancia capacitiva son inversamente proporcionales a la capacitancia en faradios y a la frecuencia del voltaje aplicado de C.A. Lo que es lógico porque la carga en un capacitor es directamente proporcional a la capacitancia para un voltaje dado aplicado. La corriente de esta carga así como el voltaje aplicado son alternos. Si la capacitancia aumenta para una frecuencia y voltaje dados, la carga que circula en un tiempo dado debe aumentar, por tanto, la corriente aumenta. Semejantemente la frecuencia aumenta para un valor dado de la capacitancia y el voltaje, debe circular la misma carga por alternancia, pero esta carga debe circular en un tiempo más corto. Lo que da por resultado una corriente mayor porque la corriente es la medida del caudal o gasto de electrones.

Por tanto, aumentando la frecuencia o la capacitancia aumenta la corriente para un voltaje aplicado. Lo que indica que si se aumentan la frecuencia o la capacitancia, los ohms de reactancia capacitiva serán menos.

Adelanto de la corriente

El capacitor de la figura que hemos utilizado hasta ahora tiene una reactancia de 100 ohms y una resistencia insignificante. La corriente es de 1 ampere. En una reactancia capacitiva, la corriente adelantará al voltaje aplicado 90º eléctricos.

Si se aplica un voltaje alterno a un capacitor, una corriente alterna de la misma frecuencia cargará y descargara alternativamente el capacitor. Cuando se aplica un voltaje alterno a las placas de un capacitor, la carga en coulombs en las placas será proporcional al voltaje aplicado y, por tanto, estará en fase con él, para Q= C*E. cuando el voltaje es cero, la carga en coulombs es cero, mientras que cuando el voltaje aplicado en las dos direcciones es máximo, la carga en coulombs es también un máximo como en la siguiente figura:

En esta figura se aprecia que las ondas del voltaje aplicado y la carga están en fase, mientras que la corriente adelanta a los volts de la línea (E) 90º eléctricos. Durante el periodo de cero a 90º el voltaje aumenta y el capacitor se está cargando. A 90º grados el voltaje del capacitor ha dejado de aumentar y, por tanto, la corriente en este punto sería 0. Cuando el voltaje disminuye, el capacitor se descarga y los electrones salen de las placas en dirección inversa. Esto lo demuestra el aumento de la corriente en el negativo o dirección de descarga, al disminuir el voltaje a 0 durante el intervalo 90º - 108º.

A 180º, el voltaje de la línea es 0, la carga en coulombs es 0 y la corriente es máxima. El voltaje comienza a elevarse hacia su valor negativo máximo, conforme el capacitor se carga en la dirección opuesta. La corriente de 180º - 270º es de la misma dirección que el voltaje aplicado pero disminuye de magnitud al disminuir la intensidad de la variación de voltaje. A 270º eléctricos el voltaje del capacitor ha dejado de aumentar, por tanto, la corriente en este punto es 0. Entre 270º - 360º el voltaje disminuye de nuevo a 0. La corriente en el capacitor aumenta en dirección positiva porque se está extrayendo la carga negativa del capacitor. Al continuar disminuyendo el valor del voltaje a 0, la corriente ascenderá en dirección positiva a su valor máximo a 360º. El capacitor está completamente descargado a 360º como lo demuestra la onda de los coulombs disminuyendo a 0.

Defecto del ángulo de fase

En los cálculos que intervienen bobinas de inductancia es necesario considerar la resistencia así como la reactancia inductiva. Sin embargo, en los cálculos en que intervienen capacitores con las frecuencias comerciales, generalmente se supone que las pérdidas por resistencia son insignificantes y que la corriente del capacitor adelanta al voltaje exactamente 90º eléctricos.

En la operación real de un capacitor, el ángulo es ligeramente menor de 90º. El defecto de anulo de fase es el ángulo que falta al de fase entre el voltaje del capacitor y la corriente para ser 90º. Algunos capacitores con dieléctrico de mica tienen defectos de ángulo de fase tan pequeños como 3 0 4 minutos. Los capacitores con otros tipos de dieléctrico pueden tener defectos de ángulo de fase mayores a 1 grado. Si el defecto de ángulo de fase es muy grande, habrá una pérdida de potencia relativamente grande en el capacitor, con lo que aumenta su temperatura interna. Esta elevación de temperatura puede acortar la vida útil del dieléctrico.

El factor de potencia de un capacitor es el término usado para relacionar las pérdidas de un capacitor con su capacidad en voltamperes. El factor de potencia es la relación de la perdida de potencia con los voltamperes cuando se opera al voltaje y frecuencia de régimen. Generalmente el factor de potencia es 0.01 (uno por ciento) o menor, para corregir el factor de potencia de los capacitores.

Los técnicos en comunicaciones emplean el término “Q” para describir las pérdidas en los capacitores, que se calcula así:

Q=Xc/Re=1/2πfCRe

Nótese el uso de la resistencia equivalente (Re). Esta resistencia es la equivalente que debe colocarse en serie con un capacitor perfecto para producir la misma perdida en watts que el capacitor real imperfecto. Incluye los efectos de las perdidas en el dieléctrico y las perdidas por resistencia. Puede, también, definirse la “Q” de un capacitor, como Q= vars/watts. “Q” es un número grande y con frecuencia es más fácil de manejar que los muy pequeños que se usan para el factor de potencia de los capacitores.

Capacitores en serie y en paralelo

A continuación, se muestran dos figuras con tres capacitores cada una; en la primera, se encuentran conectados en paralelo, con una capacitancia total de 55µf y en la segunda se encuentran conectados en serie, con una capacitancia de 5µf.

La reactancia capacitiva de los tres capacitores en paralelo es:

Xc=1/2πfc=1/(377 x 0.00055)=1/0.020735=48.22 ohms

La corriente total consumida es: I =E / Xc =120/48.22=2.48 Amperes.

Esta corriente de 2.48 amperes adelanta al voltaje de C.A prácticamente 90° eléctricos. Por tanto, la verdadera potencia en watts consumida por este banco de capacitores es cero.

Los mismos 3 capacitores en serie, con una capacitancia total =5µf. cuando se conecta a una fuente de 120volts y 60 ciclos la reactancia capacitiva del banco en serie es:

Xc=1/(2µfc)=1/((377 x 0.000005))=530.5 ohms

La baja capacitancia de la conexión en serie es responsable del elevado valor de la reactancia capacitiva. La corriente en el circuito en serie es:

1=E/Xc=120/530.5=0.23 amperes

Esta corriente es la misma cualquiera que sea en el lugar del circuito en que se conecte el amperímetro en serie. También está desfasado 90° respecto al voltaje.

Vars de magnetización

En una resistencia pura conectada a una fuente de C.A, la corriente esta exactamente en fase con voltaje aplicado y la verdadera potencia puede calcularse de las ecuaciones siguientes:

W= E*I W= I² R W= E²/R

En una inductancia pura conectada a una fuente de voltaje de C.A la corriente se retrasa 90 ° grados eléctricos respecto

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