Condensadores y corriente continua vs. alterna

Una de las preguntas más frecuentes de los estudiantes de Ingeniería Eléctrica es ¿Por qué los condensadores bloquean la corriente contínua y permiten la alterna?

Para saber la razón exacta, vamos a saber lo que es un condensador y cómo funciona cuando se conecta a corriente continua (DC) y luego a una fuente de alimentación de corriente alterna (CA).

Tabla de contenidos

¿Qué es un condensador?
Diferencia entre corriente contínua y corriente alterna
¿Por qué un condensador bloquea la corriente continua?
¿Por qué un condensador deja pasar la corriente alterna?
¿Por qué los condensadores están dimensionados en corriente continua?

¿Qué es un condensador?

El condensador (también conocido como capacitor o acumulador) es un dispositivo de dos placas metálicas separadas por un medio aislante como una lámina, papel laminado, aire, etc. Almacena la energía en forma de campo electrostático y la libera al circuito cuando es necesario en caso de corriente alterna.

Diferencia entre corriente contínua y corriente alterna

La corriente continua es un valor constante, es decir, no cambia la polaridad (dirección) ni la magnitud, mientras que en la corriente alterna cambia su dirección y amplitud continuamente en función de su frecuencia, como se muestra en la siguiente imagen.

Diferencia entre corriente continua y alterna

Vamos a conectar ahora el condensador en corriente continua y luego en corriente alterna y veamos qué ocurre.

¿Por qué un condensador bloquea la corriente continua?

Tengamos en cuenta que un condensador actúa como un cortocircuito en la etapa inicial y un condensador completamente cargado se comporta como un circuito abierto. Los condensadores resisten los cambios de tensión, mientras que los inductores resisten los cambios de corriente y actúan como cortocircuito en corriente continua.

En la etapa inicial, cuando conectamos un condensador a la alimentación de corriente continua, se producirá un pequeño flujo de corriente hasta que las placas se saturen.

En otras palabras, el terminal positivo de la fuente de alimentación de corriente continua absorberá los electrones de un terminal y empujará los electrones al segundo terminal hasta que la primera placa se cargue positivamente y la segunda negativamente como se muestra en la figura.

En esta etapa, el voltaje aplicado es igual al voltaje a través del condensador y las placas del condensador están saturadas y no hay flujo de corriente. En esta etapa, el condensador se comporta como un circuito abierto y si aumentamos el valor de la tensión contínua aplicada, el condensador puede dañarse y explotar.

¿Por qué un condensador bloquea la corriente continua?

Lo mejor es verlo con un ejemplo resuelto de un condensador conectado en corriente continua.

Sabemos que no hay frecuencia, es decir, la frecuencia es 0 Hz en la corriente continua.

Si ponemos frecuencia “f = 0” en la reactancia inductiva (que es la resistencia de corriente alterna en el circuito capacitivo) fórmula:

X_C = 1 / 2πfC

Poniendo f = 0:

X_C = 1 / 2π 0 C

X_C = 1/0 = Infinito

Significa que, teóricamente, un condensador ofrecerá una resistencia infinita al flujo de corriente según su capacidad. Por lo tanto, no se producirá ningún flujo de corriente como ocurre en los circuitos capacitivos:

I = V / X_C

Si ponemos X_C como infinito, el valor de la corriente sería cero.

I = 0 A

Esa es la razón exacta por la que un condensador bloquea la corriente continua.

¿Por qué un condensador deja pasar la corriente alterna?

Cuando conectamos un condensador a una fuente de alimentación de corriente alterna, comienza a cargarse y descargarse continuamente debido al cambio continuo de la tensión de alimentación.

Esto se debe a los cambios en la tensión de corriente alterna, es decir, la corriente alterna es positiva en el ciclo inicial para «t = 1» y negativa en el segundo ciclo «t = 2», como se muestra en la figura siguiente.

En la figura 2(a), ocurre lo mismo que en un condensador conectado en CC en la fase inicial, es decir, el terminal positivo de la fuente absorbe los electrones de la placa conectada del condensador y los devuelve al segundo terminal. La primera placa se vuelve positiva y la otra negativa debido a la abundancia de electrones.

Este proceso se conoce como carga de un condensador, es decir, almacena la energía en forma de campo eléctrico.

La carga de un condensador viene dada por:

V_C = V_S(1− e ^(−t/RC))

V_C = V_S (1 – e^-t/^τ)

Donde:

VC es la tensión a través del condensador
VS es la tensión de la fuente o la tensión aplicada.
e = 2,718 (Exponencial, es decir, la base del logaritmo natural)
τ = R/C = «tau» constante de tiempo en segundos

Ahora, la polaridad de la tensión aplicada se invierte, es decir, lo positivo se convierte en negativo y viceversa, como se muestra en la figura 2(b).

Ahora el terminal negativo de la fuente atrae a los huecos y empuja a los electrones hacia los huecos en la dirección opuesta.

El proceso permanece continuo y la corriente fluye debido al flujo continuo de electrones. Este proceso se conoce como descarga de un condensador, es decir, devuelve al circuito la energía almacenada.

La descarga de un condensador viene dada por:

V_C = V_S x e ^(−t/RC))

¿Por qué los condensadores están dimensionados en corriente continua?

Sabemos que hay diferentes condensadores con diferentes índices de marcado en sus placas de características, es decir, 400VDC o 400VAC. Si un condensador bloquea la corriente continua, ¿por qué el valor nominal se menciona en corriente continua?

No significa que no podamos utilizar condensadores en circuitos de corriente continua (ya los has visto). El valor de corriente continua impreso en las placas de los condensadores es el valor máximo de tensión corriente continua que puede conectarse a ellos con seguridad.

Ten en cuenta que no es el valor de la capacidad de carga. Los condensadores polarizados se utilizan sobre todo en corriente continua, mientras que los no polarizados se utilizan en circuitos de corriente alterna.

Como regla general:

Los condensadores marcados en corriente alterna pueden utilizarse en corriente continua.
Los condensadores marcados en corriente continua no pueden utilizarse en corriente alterna.

Porque, los voltajes de corriente alterna muestran el valor RMS donde el valor de pico de corriente alterna es 1,414 veces mayor que corriente continua.