¿Por qué no sirve el capacitor? - Explicado

Las siguientes lecciones fueron escritas por Richard Clark , el cual examina el capacitor en cada detalle. Lean primero y despues pregunten...

Lección #1

Ok que les parece si tenemos una pequeña discución acerca de teoría basica de la electrica? Al final de este post deberias ser uno de los que puede explicar al mundo que de acuerdo a la ley de los ohmnios es imposible que los capacitores sirvan de algo. Esto sera posible, obviamente, si puedes admitir que los capacitores obedecen la ley de los ohmnios. Hagamos un poco de cálculos. Supongan que tenemos un resistor que es de .017 ohmnios (diesiciete miliohmnios). De acuerdo a la ley de los ohmnios cuantos voltios han caido a traves de .017 ohmnios si 100 amperios de corriente estan fluyendo? Que pasaria si aumentaramos la corriente a 300 amperios? Estableceremos las respuestas a estas interrogantes a medida que prosigamos. Si no se pueden poner de acuerdo con sus respuestas entonces no hay manera de que lleguemos a la respuesta real .

Lección #2

ESR significa resistencias en serie equivalentes . Esto significa exactamente lo que suena, significa que si tenemos una fuente de voltaje se comportara exactamente como si tuviera un resistor del mismo valor en serie al momento de su output. Un amplificador tiene ESR, una fuente de poder tiene ESR, una batería tiene ESR, y por supuesto, un capacitor tiene ESR. Los componentes tienen ESR ya que no existe manera de crear el conductor perfecto.

Y ahora , la tarea. Si culminaron los calculos de la lección 1 aprendieron que si 100 amperios fluyen a través de .017 ohmnios existirá una caida de voltaje de 1.7 voltios, y que si el flujo del amplificador aumenta a 300 amperios la caida de voltaje aumentará a 5.1 voltios.

Para probar esa teoría supongamos que hemos construido el capacitor mas grande del universo y tiene billones, billones y billones de faradios. Sus platinas están hechas de un material que descubrimos nosotros mismos que llameremos "Unobtanium" . Este nuevo material no posee resistencia alguna y por ende nuestro cap tendra un ESR de CERO ohmnios. Entonces, procederemos a cargar el capacitor a 14.2 voltios. Luego colocamos un resistor con un valor de .017 ohmnios en serie con uno de los terminales de este capacitor. La pregunta es : Si colocamos una carga que consuma 100 amperios de este capacitor cual será el voltaje resultante en la carga por parte del capacitor? Cuál será el voltaje en el lado del capacitor del resistor? (Es decir, el voltaje del capacitor antes de pasar por la resistencia) . Qué sucedera si aumentamos la carga a 300 amperios? Cuál sera el voltaje en cada lado del resistor? (Calculen esto por sus propios medios , es realmente facil de sacar y la respuesta es OBVIA , pero solo de ésta forma la gente terca podrá ver en realidad los efectos)

Lección #3

Ok ahora que hemos estudiado ESR y entendimos sus efectos en un circuito funcional pasaremos al siguiente tema, pero no olviden el ESR ya que es uno de los bloques mas importántes en la busqueda de la verdad acerca de los capacitores y que además volveremos a tomar el tema. En esta lección revisaremos los conceptos de la energía total almacenada en un dispositivo como un capacitor.

En la electrónica, medimos el poder en vatios. Los vatios nos dicen que tanto trabajo un objeto puede realizar. Pero un "rating" (estimado) de vatiajes no nos dice nada sobre cuánto tiempo éste trabajo puede ser realizado. Cuando agregamos el elemento del tiempo al vatiaje, utilizamos un valor que llamamos Joules. Un joule es un watt por segundo, lo que significa que un joule de energía nos entrega un watt por un segundo. 10 Joules pueden entregar 10 watts por 10 segundos, o 10 watts por un segundo, o 5 watts por 2 segundos, o 100 watts por una décima de segundo, y así sucesivamente.

La fórmula para determinar la cantidad total de joules es bastante simple. Tomamos la mitad del valor del capacitor en faradios y lo multiplicamos por las veces del voltaje almacenado al cuadrado. Por ejemplo, un capacitor de un faradio cargado a 14 voltios sería .5 x (14x14) = 98 , o .5 x 196 = 98 joules. Un capacitor de 20 faradios cargado a 14 voltios sería 10 x (14x14) = 1960 joules. Éste es un concepto muy importante para comprender el almacenamiento de energía en. Un capacitor almacena electricidad.

Las baterías por el contrario, no. Las baterías tienen el potencial de producir electricidad mediante reacciones químicas , mientras los capacitores almacenan electrones en sus platinas en la forma de una carga electroestática. Mas adelante , explicaré el por qué es necesario tomar esto en cuenta.

Pero primero otra tarea. Ésta es una pregunta tipo "piensalo". Hemos aprendido que 1 joule es un watt por segundo. Una batería optima yellow top esta "rated" para 65 amperios por hora. Esto significa que puede proveernos de 65 amperios por una hora. La pregunta es : ¿Cuántos joules representa dicha cantidad?

Lección #4

En el mundo real el voltaje de la batería podría bajar un poco de su voltaje de circuito abierto de 12.8 voltios con una carga de 65 amperios. En el caso de la yellow top su voltaje a 65 amperios es de 12.2v cuando ésta está cargada totalmente. Al final de la hora de uso su voltaje caería a 10v. Si usamos el número 11 como el voltaje average de la batería la respuesta sería 2,574,000 joules. Ahora, ese es un número significativo de joules ! . Actualmente esto no es suficiente para matar la batería totalmente pero a éste punto probablemente ya no quede mucho en ella. Esto nos lleva a un punto muy importante: La energía de la batería será extinta completamente en el momento que ésta baje a 10 voltios.

Para el momento en que consumamos 2.5 millones de joules de la batería posiblemente no le quedan mas que unos pocos cientos de joule en su carga. Uno puede vacíar la batería casi totalmente y nisiquiera bajar de 10 voltios. Esto se debe a que la batería no almacena electricidad, almacena químicos. Una reacción química produce la electricidad, almacenar la corriente eléctrica es en punto de vista práctico bastante ineficiente.

Miren a nuestro pobre capacitor. Aunque podamos crear uno del tamaño de una batería solo serviría para 50.000 o 100.000 joules -- Mucho menos que lo que hay en una batería casi muerta. Pero si eso fuera poco, aún hay peores noticias.

Un capacitor es como un tanque de gas en un carro. La bomba solo puede enviar gas a el punto de recolección del mismo. Cualquier gas abajo de este punto nunca sera removido por la bomba. Si cargamos un capacitor de 20 faradios a 14 voltios sabemos gracias a nuestras lecciones anteriores que contendrá 1,960 joules. Si utilizamos ese capacitor y lo cargamos hasta que su voltaje caiga a 10 voltios junto con nuestra batería cuántos joules seran removidos del capacitor? Cuántos joules quedarán en el capacitor del cuál nunca nos podemos beneficiar si nuestro sistema jamás cae debajo de los 10 voltios? (Ahi tienen otra punta)

Lección #5

En nuestra lección anterior aprendimos que los capacitores pueden almacenar cargas en sus platinas y que de los 1960 joules almacenados en un capacitor de 20 faradios 1000 de ellos se mantienen en un potencial menor a 10 voltios. Esto significa que no hay manera de que un capacitor pueda ser usado de manera útil en un sistema operacional de audio. En esta lección hablaremos de otra perdida mas para el capacitor, tiene que ver con el factor ESR del capacitor.

Ya hemos estudiado la caida del voltaje debido al factor ESR, pero ahora veamos dicha caida desde el punto de vista de energía/watts. Aclaremos las cosas: El poder entregado al stereo por la batería y el alternador pasan por encima del capacitor (lo bypassean) , ellos puramente fluyen por sus terminales. Si la carga del capacitor es menor a la de la batería/alternador corriente potencial fluirá HACIA el capacitor hasta que se encuentre en equilibrio con la batería/alternador. Si el potencial de la batería/alternador es menor que la carga actual del capacitor la corriente SALDRA del capacitor hacia la batería y/o el amplificador.

Siempre recuerda que el voltaje siempre fluye desde el mayor potencial hacia el menor potencial, tal y como lo hace el agua. La corriente no fluye hacia el alternador aunque éste este menor que la batería o el capacitor porque éste tiene diodos en su ouptut que solo permite que la corriente FLUYA de su salida. Ahora, en cualquier momento que la corriente fluya DENTRO o hacia FUERA del capacitor ésta corriente debe pasar a través del ESR del capacitor. La resistencia está realmente distribuida en el capacitor, pero se comporta exactamente igual que si estuviera en los terminales de salida del mismo. Ahora, supongamos que un capacitor de 20 faradios está cargado a 14.2 voltios y colocamos una carga en su salida. Esta carga es la misma que usamos en la lección 2 , la de 100 amperios de corriente que fluyen a través de nuestro capacitor de infinita capacidad , solo que ahora pasa por un capacitor MUCHO mas pequeño de 20 faradios.

Sabemos que si 100 amperios de corriente fluyen fuera de nuestro capacitor, esos 1.7 voltios tendrán una baja a través del ESR de .017 ohmnios. Esto causara que la salida caiga a 12.5 voltios , tal y como lo hizo con nuestro capacitor ilimitado.

Esto significa que la carga (100 ohmnios de resistencia) estará consumiendo 1250 watts de nuestro capacitor. 12.5 voltios x 100 amperios = 1250 watts. El vatiaje total producido del capacitor es de 1420 watts. 14.2 voltios x 100 amperios = 1420 watts. Desafortunadamente 170 watts de poder serán perdidos en forma de calor debido al ESR del capacitor. Esto representa una perdida de 13% de nuestros joules usables (960) en este punto. Ahora les pregunto, qué sucedera si aumentamos el consumo de corriente a 300 amperios (300 amperios x 14.2 voltios = 4260 watts), cuántos watts serán disipados en el ESR del capacitor y que porcentaje de 4260 watts representa? De nuestros 960 joules usables, qué porcentaje quedará para el estereo?