¿Cómo suaviza la energía un condensador?

Estoy tratando de entender cómo funcionan los condensadores. Entiendo que almacenan una carga y generalmente entiendo cómo, pero no entiendo cómo usarlos "suaviza" el flujo de la carga. ¿No hace, digamos un motor, extraer energía de un condensador cargado hacer lo mismo al extraer energía de una fuente de alimentación? ¿Qué significa que la carga se haya suavizado y cómo?

Los condensadores no almacenan carga. Esa es una declaración tan inútil porque se basa en esta palabra "carga" que tiene múltiples significados. Por favor, olvide que alguna vez lo escuchó. Tampoco suavizan la energía. Lo que suavizan es el voltaje.

Contestaré su pregunta, pero primero debe comprender realmente cómo funcionan los condensadores.

Lo que los condensadores almacenan es energía. Lo que fluye en los circuitos eléctricos es la carga eléctrica . Medimos la tasa de flujo de carga en amperios. La cantidad de carga se mide en culombios. Debido a que la carga nunca se crea ni se destruye , siempre que medimos carga usualmente contamos la carga que fluye más allá de una puerta metafórica. Excepto en algunos circuitos muy extraños, la carga total en un dispositivo electrónico también es constante. Es muy parecido a un sistema hidráulico cerrado: hay algo de líquido en él y puede moverlo, pero ninguno entra o se escapa. Puede contar cuánto fluido fluye más allá de algún punto, pero debe venir de algún lado y debe ir a otro lado.

Imagínese si tuviera un vaso esférico lleno de líquido. En el centro del vaso hay una placa de goma que puedes estirar empujando el líquido por un lado y bombeándolo por el otro. Así es un condensador:

Esto es de las ideas erróneas de condensador excelentes de Bill Beaty .

Cuando empuja agua por un lado, debe salir una cantidad igual de agua por el otro lado. Además, una vez que esta membrana de goma se estira, quiere volver a ser recta. Por lo tanto, la presión del agua en un lado será más alta que en el otro. Si fuera a quitar los tapones y reemplazarlos con una manguera, el agua fluiría hasta que la goma no se estirara.

Ahora reemplace "agua" con "carga eléctrica" ​​y "presión" con "voltaje", y tendrá un condensador.

Ahora imagine dos embarcaciones, una del tamaño de una pelota de golf y otra del tamaño de una piscina. Cada uno tiene una membrana de elasticidad idéntica en el medio. Si bombea una cucharada de agua a través del recipiente del tamaño de una pelota de golf, la membrana se estirará mucho y, en consecuencia, la diferencia de presión entre los lados será grande. Si hace lo mismo con el recipiente del tamaño de una piscina, la membrana apenas se moverá y la diferencia de presión será un poco más que nada.

Esto es lo que es la capacitancia . Le indica, para una cantidad dada de agua movida, cuál es la diferencia de presión. Le indica, para una cantidad dada de carga eléctrica movida a través del condensador, cuál será el voltaje. Se define como:

Dónde:

• $C$ es capacitancia, medida en faradios,
• $q$ se carga movido a través del condensador, medido en culombios, y
• $V$ es voltaje, mide en (lo has adivinado) voltios.

No te obsesiones con el "coulomb". Un coulomb es la cantidad de carga que pasa un punto si fluye 1 amperio durante 1 segundo. O 2 amperios por medio segundo. O 1/2 amperio durante 2 segundos.

Si tomaste cálculo, reconocerás que la carga es la integral de la corriente. En otras palabras, la carga es a la corriente como la distancia a la velocidad. Puede reemplazar "amperios" con "coulomb por segundo": las unidades son exactamente iguales.

Usando ese conocimiento y un poco de cálculo básico, la capacitancia también se puede definir en términos de voltaje y corriente:

Lo que esto dice es: la tasa de cambio de voltaje a lo largo del tiempo (voltios por segundo) es igual a la corriente (amperios o culombios por segundo) dividida por la capacitancia (faradios).

Si tiene un condensador de 1 faradio y está moviendo 1 amperio (1 coulomb por segundo) a través de él, entonces el voltaje a través del condensador cambiará a una velocidad de 1 voltio por segundo.

Si duplica esa capacidad, la tasa de cambio de voltaje será la mitad.

Y aquí, creo, está la respuesta a su pregunta. Con frecuencia se colocan condensadores a través de la fuente de alimentación para mantener estable el voltaje. Esto funciona porque mientras más capacitancia tenga, más difícil será cambiar el voltaje, ya que requiere más corriente para hacerlo.

En esta aplicación, los condensadores no suavizan la energía , suavizan el voltaje . Lo hacen al proporcionar un almacenamiento de energía de la cual la carga puede extraer durante los momentos de alta corriente transitoria. Esto facilita el trabajo de la fuente de alimentación porque no tiene que lidiar con los altos cambios en la corriente. En efecto, el condensador ayuda a promediar la demanda actual de la carga como se ve en la fuente de alimentación.

Los condensadores de suavizado se utilizan para suprimir las ondas de voltaje, generalmente en las líneas de suministro de energía. Lo hacen almacenando y reponiendo energía periódicamente. La siguiente imagen muestra un caso de uso muy común de estos condensadores en un puente rectificador completo.

Como puede ver, el condensador de suavizado descarga y repone energía cuando cae el voltaje de salida. Esto "iguala" el voltaje de salida, razón por la cual este capacitor se llama capacitor de "suavizado".

Los condensadores están ahí para proporcionar la ilusión a su carga de que están conectados a una fuente de voltaje ideal.

Por ejemplo, su fuente de energía tiene cierta resistencia interna y puede haber una inductancia significativa debido a cables largos.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Agregar el condensador permite que la carga vea una aproximación a Vsmedida que el interruptor se abre / cierra. De lo contrario, habrá un voltaje de suministro variable a medida que la carga se abra / cierre.

Sí, funciona básicamente de la misma manera. Sin embargo, un condensador generalmente tiene una capacidad menor que, por ejemplo, una batería. Cuando conecta una carga a un condensador, su carga y voltaje disminuirán con el tiempo. Por eso se llama suave. Una batería lo hace exactamente de la misma manera pero mucho, mucho más lenta, debido a la mayor capacidad.

También hay suavidad en el sentido de suavizar una señal de voltaje. Si cargamos y descargamos un condensador al mismo tiempo con alguna señal de voltaje variable, comprenderá que el condensador se carga en los bordes ascendentes. En los bordes descendentes, el condensador 'ayuda' a la otra fuente de alimentación, lo que hace que el borde descendente sea más suave. Finalmente, esto puede conducir a un voltaje casi constante.

Imagine un condensador como un vaso de agua con un orificio; por lo tanto, no importa qué tan rápido llene el vaso, la salida a través del orificio es aproximadamente la misma. Así es exactamente como funciona un condensador, primero se carga, luego proporciona una salida que filtra el ruido y proporciona una salida limpia, independientemente de cómo fluctúe la entrada.