Divisor de voltaje capacitivo

En este post aprendemos cómo operan los circuitos capacitivos divisores de voltaje en circuitos electrónicos, a través de fórmulas y ejemplos resueltos.

Por: Dhrubajyoti Biswas

¿Qué es una red divisor de voltaje?

Hablando de un circuito divisor de voltaje, es importante tener en cuenta que el voltaje en el circuito divisor se distribuye por igual entre todos los componentes existentes asociados con la red, aunque la capacidad puede variar según la constitución de los componentes.

Se puede construir un circuito divisor de voltaje con componentes reactivos o incluso con resistencias fijas.

Sin embargo, al compararlos con los divisores de voltaje capacitivos, los divisores resistivos no se ven afectados por el cambio de frecuencia en el suministro.

El propósito de este documento es proporcionar una comprensión detallada de los divisores de voltaje capacitivos. Pero para obtener más información, es vital detallar la reactancia capacitiva y su efecto en los capacitores a frecuencias variadas.

Un condensador está formado por dos placas conductoras, colocadas en paralelo entre sí, que además están separadas por un aislante. Estas dos placas tienen una carga positiva (+) y otra negativa (-).

Cuando un condensador se carga completamente a través de la corriente continua, el dieléctrico [conocido popularmente como aislante] bloquea el flujo de corriente a través de las placas.

Otra característica importante de un capacitor en comparación con una resistencia es: Un capacitor almacena energía en las placas conductoras durante la carga, lo que la resistencia no hace, ya que siempre tiende a liberar el exceso de energía en forma de calor.

Pero la energía almacenada por un condensador pasa a los circuitos que están conectados con él durante su proceso de descarga.

Esta característica de un capacitor para almacenar la carga se conoce como reactancia y, además, como reactancia capacitiva [Xc], para la cual Ohm es la unidad estándar de medida para la reactancia.

Un condensador descargado cuando se conecta a una fuente de alimentación de CC, la reactancia permanece baja en la etapa inicial.

Una parte sustancial de la corriente fluye a través del condensador durante un período corto, lo que obliga a que las placas conductoras se carguen rápidamente, y esto eventualmente inhibe cualquier paso adicional de corriente.

¿Cómo bloquea el condensador CC?

En una red en serie de condensadores y resistencias, cuando el período de tiempo alcanza una magnitud de 5RC, las placas conductoras del condensador se cargan completamente, lo que significa que la carga recibida por el condensador es igual al suministro de voltaje, lo que detiene cualquier flujo de corriente adicional.

Además, la reactancia del condensador en esta situación bajo la influencia del voltaje de CC alcanza el estado máximo [megaohmios].

Condensador en suministro de CA

Con respecto al uso de corriente alterna [CA] para cargar un condensador, en el que el flujo de corriente alterna siempre está polarizado alternativamente, el condensador que recibe el flujo está sujeto a una carga y descarga constante a través de sus placas.

Ahora, si tenemos un flujo de corriente constante, también debemos determinar el valor de reactancia para restringir el flujo.

Factores para determinar el valor de la resistencia capacitiva

Si miramos hacia atrás en la capacitancia, encontraremos que la cantidad de carga en las placas conductoras de un capacitor es proporcional al valor de la capacitancia y el voltaje.

Ahora, cuando un capacitor recibe un flujo de corriente de una entrada de CA, el suministro de voltaje pasa por un cambio constante en su valor, que invariablemente cambia el valor de las placas de manera demasiado proporcional.

Ahora consideremos una situación en la que un capacitor contiene un valor más alto de capacitancia.

En esta situación, la resistencia R consume más tiempo para cargar el condensador τ = RC. Esto implica que si la corriente de carga fluye durante un período de tiempo más largo, la reactancia registra un valor Xc menor, dependiendo de la frecuencia especificada.

De manera idéntica, si el valor de capacitancia es menor en un capacitor, entonces para cargar el capacitor se requiere un tiempo RC más corto.

Este tiempo más corto provoca el flujo de corriente durante un período de tiempo más corto, lo que da como resultado un valor de reactancia comparativamente más pequeño, Xc.

Por tanto, es evidente que con corrientes más altas el valor de la reactancia permanece pequeño y viceversa.

Y así, la reactancia capacitiva es siempre inversamente proporcional al valor de capacitancia del capacitor.

XC ∝ -1 C.

Es vital tener en cuenta que la capacitancia no es el único factor para analizar la reactancia capacitiva.

Con una baja frecuencia de la tensión de CA aplicada, la reactancia se desarrolla más tiempo según la constante de tiempo RC asignada. Además, también bloquea la corriente, lo que indica un valor más alto de reactancia.

De manera similar, si la frecuencia aplicada es alta, la reactancia permite que ocurra un ciclo de tiempo menor para el proceso de carga y descarga.

Además, también recibe un mayor flujo de corriente durante el proceso, lo que conduce a una menor reactancia.

Entonces, esto prueba que la impedancia (reactancia de CA) de un capacitor y su magnitud depende de la frecuencia. Por lo tanto, una frecuencia más alta da como resultado una reactancia más baja y viceversa, por lo que se puede concluir que la reactancia capacitiva Xc es inversamente proporcional a la frecuencia y la capacitancia.

Dicha teoría de la reactancia capacitiva se puede resumir con la siguiente ecuación:

Xc = 1 / 2πfC

Dónde:

· Xc = Reactancia capacitiva en ohmios, (Ω)


· Π (pi) = una constante numérica de 3.142 (o 22 ÷ 7)


· Ƒ = Frecuencia en Hertz, (Hz)


· C = Capacitancia en Faradios, (F)

Divisor de voltaje capacitivo

Esta sección tendrá como objetivo proporcionar una explicación detallada sobre cómo la frecuencia de suministro afecta a dos condensadores conectados espalda con espalda o en serie, mejor denominado circuito divisor de voltaje capacitivo.

Circuito divisor de voltaje capacitivo

Para ilustrar el funcionamiento de un divisor de voltaje capacitivo, consultemos el circuito anterior. Aquí, C1 y C2 están en serie y conectados a una fuente de alimentación de CA de 10 voltios. Al estar en serie, ambos condensadores reciben la misma carga, Q.

Sin embargo, el voltaje seguirá siendo diferente y también depende del valor de capacitancia V = Q / C.

Considerando la Figura 1.0, el cálculo de voltaje a través del capacitor se puede determinar de diferentes maneras.

Una opción es averiguar la impedancia total del circuito y la corriente del circuito, es decir, rastrear el valor de la reactancia capacitiva en cada condensador y luego calcular la caída de voltaje en ellos. Por ejemplo:

EJEMPLO 1

Según la Figura 1.0, con C1 y C2 de 10uF y 20uF respectivamente, calcule las caídas de voltaje rms que ocurren a través del capacitor en una situación de voltaje sinusoidal de 10 voltios rms a 80Hz.

Condensador C1 10uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10uF x 10-6 = 200 ohmios
Condensador C2 = 20uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF x 10-6 = 90
Ohm

Reactancia capacitiva total

Xc (total) = Xc1 + Xc2 = 200Ω + 90Ω = 290Ω
Ct = (C1 x C2) / (C1 + C2) = 10uF x 22uF / 10uF + 22uF = 6.88uF
Xc = 1 / 2πfCt = 1/1 / 2π x 80 x 6.88uF = 290Ω

Corriente en el circuito

Yo = E / Xc = 10V / 290Ω

El voltaje cae en serie para ambos capacitores. Aquí, el divisor de voltaje capacitivo se calcula como:

Vc1 = yo x Xc1 = 34,5 mA x 200 Ω = 6,9 V
Vc2 = Yo x Xc2 = 34.5mA x 90Ω = 3.1V

Si los valores de los capacitores difieren, el capacitor de menor valor puede cargarse a un voltaje más alto en comparación con el de mayor valor.

En el ejemplo 1, la carga de voltaje registrada es 6,9 y 3,1 para C1 y C2 respectivamente. Ahora, dado que el cálculo se basa en la teoría del voltaje de Kirchoff, las caídas de voltaje totales para un capacitor individual son iguales al valor del voltaje de suministro.

NOTA:

La relación de caída de voltaje para los dos capacitores que están conectados al circuito divisor de voltaje capacitivo en serie siempre permanece igual incluso si hay una frecuencia en el suministro.

Por lo tanto, según el ejemplo 1, 6,9 y 3,1 voltios son iguales, incluso si la frecuencia de suministro se maximiza de 80 a 800 Hz.

EJEMPLO 2

¿Cómo encontrar la caída de voltaje del capacitor usando los mismos capacitores usados ​​en el Ejemplo 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10uF = 2 ohmios

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF = 0,9 ohmios

I = V / Xc (total) = 10 / 2.9 = 3.45 amperios

Por lo tanto, Vc1 = I x Xc1 = 3.45A x 2Ω = 6.9V

Y, Vc2 = I x Xc2 = 3.45A x 0.9 Ω = 3.1V

Como la relación de voltaje sigue siendo la misma para ambos capacitores, con el aumento de la frecuencia de suministro, su impacto se ve en la forma de una disminución de la reactancia capacitiva combinada, así como de la impedancia total del circuito.

Una impedancia reducida provoca un mayor flujo de corriente, por ejemplo, la corriente del circuito a 80 Hz es de alrededor de 34,5 mA, mientras que a 8 kHz puede haber un aumento de 10 veces el suministro de corriente, es decir, alrededor de 3,45 A.

Por lo tanto, se puede concluir que el flujo de corriente a través del divisor de voltaje capacitivo es proporcional a la frecuencia, I ∝ f.

Como se discutió anteriormente, los divisores capacitivos que involucran series de capacitores conectados, todos disminuyen el voltaje de CA.

Para averiguar la caída de voltaje correcta, los divisores capacitivos toman el valor de la reactancia capacitiva de un capacitor.

Por lo tanto, no funciona como divisor de voltaje DC, ya que en DC los condensadores detienen y bloquean la corriente, lo que provoca un flujo de corriente nulo.

Los divisores se pueden utilizar en los casos en que el suministro sea impulsado por la frecuencia.

Existe una amplia gama de uso electrónico del divisor de voltaje capacitivo, desde dispositivos de escaneo de dedos hasta osciladores Colpitts. También se prefiere ampliamente como alternativa económica para transformadores de red donde se emplean divisores de voltaje capacitivos para reducir la alta corriente de red.