Yeguada Alma Castiza

CONDENSADOR COMO FILTRO
    Al suministrar corriente a un condensador se carga, y si en esas condiciones se le conecta entre las placas una resistencia que cierre circuito entre ellas, se descarga. El tiempo que tarda el condensador en cargarse y descargarse es proporcional al valor óhmico de la resistencia que hay en el circuito de carga o descarga. Al aplicar corriente rectificada (pulsatoria simple o doble) a un condensador, éste se carga rápidamente a través del diodo que apenas presenta resistencia interna, pero cuando disminuye o se anula la tensión que se le aplica no se puede descargar, al impedir el diodo que circule intensidad en sentido contrario, o sea, de placa a cátodo.

      La tensión a que se carga el condensador cuando se le aplica corriente rectificada o pulsatoria es la máxima y se mantiene constante en él, al no ser posible su descarga en los períodos en que no recibe corriente por estar bloqueado el diodo y no poder circular los electrones desde la armadura negativa a la positiva. Durante el semiciclo positivo representado a la izquierda de la figura anterior, al conducir el diodo una corriente Ia, lo que hace es trasladar los electrones desde la armadura superior, que como consecuencia queda cargada positivamente, a la inferior, que se carga negativamente hasta un valor que aproximadamente es el máximo de la tensión que le aporta el transformador, al cabo de muy pocos semiciclos, ya que el diodo cuando conduce apenas absorbe tensión.

           El esquema de la figura anterior sólo tiene un carácter teórico, puesto que en la práctica la c.c. que se obtiene en el condensador se usa con un fin: alimentar una carga, como lo puede ser el aparato electrónico donde está ubicada la fuente de alimentación y que se representa simplificadamente por una resistencia clásica. Con la carga R en paralelo con el condensador de filtro, éste ya se puede descargar. El condensador se carga en los semiciclos que conduce el diodo y se descarga continuamente a través de la resistencia de carga que tiene en paralelo. Con ello, la tensión existente entre sus armaduras es la producida por la carga rápida a través del diodo, que cuando conduce presenta una baja resistencia, y la descarga constante a través del circuito que hayamos colocado en paralelo con el condensador, el cual mantendrá un valor mínimo de carga si ésta es igual o superior a la descarga.

         Debido a las continuas cargas y descargas del condensador, entre sus armaduras aparece una tensión que varía, como se muestra en el siguiente gráfico. En la figura se aprecia que el condensador no está cargándose durante todo el semiciclo positivo, sino sólo en la parte de él en donde la tensión aplicada es mayor que la que ya tiene acumulada.

       En el caso de que el condensador no tenga conectado entre sus extremos carga alguna, suceden dos hechos característicos:
A) Al trabajar en vacío el rectificador y el filtro, éste mantiene la tensión máxima adquirida, por no tener camino para la descarga. En estas circunstancias, cuando aparece el voltaje inverso máximo durante el semiciclo negativo, los electrodos de la válvula soportan una tensión equivalente a 2 • Vmax, ya que se suman la Vmax del condensador con la del transformador. Hay que prever este punto de trabajo para que lo pueda soportar la válvula y no se produzcan arcos o corrientes inversas.
B) Si en el circuito comentado llega el semiciclo positivo una vez que el filtro ha adquirido el voltaje Vmax, el diodo no puede conducir en ningún instante, puesto que la tensión alterna aplicada siempre está contrarrestada por la existente en el condensador, que polariza inversamente el diodo. Incluso cuando la c.a. alcance su Vmax, la tensión entre ánodo y cátodo será nula (VKA = 0).

ZUMBIDO
        Para estudiar más claramente la tensión obtenida en la carga de un circuito rectificador con filtro, se suele dividir en sus componentes continua y alterna, que es la parte perjudicial y se denomina «zumbido» o rizado (ripple). La componente alterna o zumbido alcanza un valor que depende de la capacidad del condensador y de la intensidad que consume la carga. La fórmula práctica para calcular el zumbido en un rectificador de media onda es:

                                         Vef zumbido = 4,5 x (I mA / CµF) (media onda)

Si el rectificador fuese de onda completa el condensador se cargará doble número de veces y el zumbido se reduce notablemente. De las fórmulas anteriores se deduce que:
1) Colocando condensadores de gran capacidad, como los electrolíticos, se reduce el zumbido.
2) El consumo de corriente de la carga es proporcional al zumbido: a más consumo, más zumbido en la salida de la fuente.

            Como el condensador almacena los electrones que le entrega el circuito rectificador y se los proporciona continuamente a la carga, a medida que ésta requiera más intensidad, la tensión de salida del condensador disminuirá y se hará más importante el zumbido.

      En el siguiente gráfico se representa de una forma aproximada la disminución del voltaje que recibe la carga cuando su consumo de corriente aumenta, en una fuente de alimentación con rectificador de doble onda, usando para tal fin una válvula doble diodo como la EZ81.
       En el eje de abscisas se representa la intensidad consumida por la carga; en el de ordenadas, la tensión continua que se obtiene en la fuente, en el caso de aplicar 300 V cada uno de los devanados del secundario del transformador con toma media y suponiendo que la resistencia de carga tenga un valor de 200Ω. Cuando la fuente trabaja en vacío, o sea I = 0, la tensión que se obtiene es la máxima: Vmax = 300 x 1,41 = 420V.


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COMPONENTE CONTINUA MAS COMPONENTE ALTERNA.
     El condensador de filtro proporciona a la carga que se le conecta en paralelo una tensión variable, a causa de las continuas cargas y descargas que se producen en él. Por aproximación se supone que la tensión resultante entre extremos del filtro está formada por la suma de una tensión continua y otra alterna o zumbido, cuyo valor se calcula según las fórmulas anteriores.
       Al sumar punto por punto una tensión continua, por ejemplo de 10 V, con otra alterna de 2 V, la onda obtenida tiene la forma que se muestra en la figura del rizado y se demuestra que al superponer la c.a. sobre la c.c. el valor que alcanza la tensión de pico (12 V) es igual al de la componente continua más el correspondiente al voltaje máximo de la c.a.:
                                         Vmax = 1,4 x Vef = 2 x V
De donde se deduce la fórmula para calcular la tensión continua:
                                                Vc.c. = Vp — Vmax = 12 — 2 = 10 V
      La V es la máxima de la alterna que se aplica al rectificador mediante el secundario del transformador de entrada y la Vmax se halla multiplicando por 1,41 la tensión de zumbido obtenida por la fórmula correspondiente.

EJEMPLO
          Para comprender mejor la tensión obtenida en una fuente de alimentación de c.c. y comparar las magnitudes de la componente continua y de la alterna se presenta el siguiente ejemplo. (Siempre se supone, para simplificar las operaciones, que el condensador de filtro llega a cargarse con el valor máximo de la c.a. que se le suministra, lo cual es una imprecisión, que carece de importancia por despreciar las tensiones que absorben la válvula rectificadora y el secundario del transformador y que en general son muy pequeñas.).

              Se dispone de una fuente de alimentación de media onda, que se conecta directamente a la red de 220 V. El condensador de filtro tiene 500µF de capacidad. Calcular la tensión obtenida de dicha fuente en los dos casos siguientes:

1.- Si no hay carga en paralelo con el condensador: Al no existir carga, el condensador no tiene circuito de descarga, con lo que mantiene la tensión máxima de los semiciclos positivos aplicados, que llamamos tensión de pico, entre sus armaduras
                               Vp = Vmax = Vef • 1,41 = 220 - 1,41 = 308 V.
2.- Si en paralelo con el filtro se coloca una carga que absorbe 500 mA. La tensión continua que se obtiene en este caso resultará de restar a la tensión de pico la máxima de zumbido:
                                Vc.c. = Vp - Vmax zumbido

Vc.c. = 308 - 6,3 = 301,7 V

PROBLEMA DEL ZUMBIDO.
Acompañando a la componente continua que se va a utilizar existe el zumbido o c.a., que perjudica el buen funcionamiento del circuito o aparato conectado a la fuente. A continuación se exponen los 3 procedimientos más utilizados (sin tener ya en cuenta el filtro de un sólo condensador) para reducir la tensión alterna, manteniendo lo más alta posible la continua que se suministra a la carga.

El filtro formado por un condensador origina junto con la componente continua un zumbido perjudicial, cuyo valor, según las fórmulas que se han propuesto, depende de la capacidad del condensador y del consumo de la carga. El zumbido se reduce al aumentar la capacidad del condensador de filtro, pero no puede hacerse tan grande como se desee, pues las fugas o pérdidas que presentaría entrañarían un grave riesgo para la válvula, ya que al aumentar el valor del condensador se incrementan sus corrientes de fuga y el peligro de intensidades inversas en la válvula; por otro lado, al solicitar elevadas corrientes los grandes condensadores podrían conducir al rápido agotamiento de la válvula. Es norma de los fabricantes de válvulas citar en el manual de características la capacidad máxima (suelen ser 50µF) que admite cada diodo rectificador.
Cuando las corrientes que hay que suministrar a la carga son escasas y no importa que exista un alto zumbido se puede utilizar un filtro con un condensador solo. Con intensidades de consumo elevadas el filtro basado en un sólo condensador ocasiona un rizado excesivo y una pobre regulación de tensión, lo que significa que las variaciones de corriente producen importantes cambios en la tensión de salida.

FILTRO EN π L:C INDUCTANCIA - CONDENSADOR.
Añadiendo al condensador de filtro estudiado una bobina y un condensador más, se reduce notablemente el zumbido a la salida del segundo condensador.

              En el condensador C1, de la figura anterior existen simultáneamente una c.a. y una c.c., por lo que al colocarle en paralelo una bobina L y otro condensador C2 se obtiene en este último la mayor parte de la c.c., al mismo tiempo que el zumbido en él queda reducido a la mínima expresión.
            En los circuitos serie se reparten las tensiones proporcionalmente a los valores de las resistencias. En el caso que estamos tratando, la c.c. y la c.a. existentes en el primer condensador se reparten entre la bobina y el segundo condensador. El condensador presenta una resistencia infinita a la c.c., puesto que en cuanto se carga ya no deja pasar más; pero la bobina sólo presenta a la c.c. la resistencia pura del hilo. Por lo contrario, la bobina presenta una reactancia inductiva XL generalmente alta a la c.a., por lo que absorbe mucha componente alterna; en cambio, el condensador presenta una resistencia a la c.a., llamada reactancia capacitiva, Xc, cuyo valor suele ser muy bajo y apenas le queda tensión alterna entre sus armaduras. De todo ello se deduce que la carga conectada en paralelo con el segundo condensador recibe una alta componente continua y una baja componente alterna o zumbido.

REPARTO DE LA C.A. O RIZADO DE C1, ENTRE L Y C2
             La nueva salida de la fuente la constituyen ahora los extremos del segundo condensador, C2. El zumbido presente en C1, se repartirá proporcionalmente al valor de las resistencias a la c.a. del condensador C2 y de la bobina L, o sea, a las reactancias capacitiva e inductiva. V1, es la parte de la tensión de zumbido que queda en L y será proporcional al valor de XL:

                                                                                XL =2 x π x f x L

       Si se trata de rectificación de media onda, el valor de la frecuencia que se debe aplicar en la fórmula anterior es la de la red, o sea, 50 Hz; en cambio, si es rectificación de onda completa la frecuencia será de 100 Hz, ya que ahora el condensador se carga en los semiciclos positivos y en los negativos.

       El valor de XL suele ser bastante grande. Para fijar un orden de magnitudes supondremos que vale 1.000Ω. El valor de Xc del condensador C2 viene dado por la fórmula:
                                              Xc = 1 / 2 x π x f x C

       El valor de la frecuencia f es de 50 Hz en los rectificadores de media onda y de 100 Hz en los de onda completa. Normalmente Xc suele ser bastante pequeño, y como valor comparativo tomaremos en el ejemplo que se discute un valor de 10 Ω.

      Al repartirse la c.a. proporcionalmente al valor de las reactancias de la bobina y el condensador, se deduce que siendo unas 100 veces mayor la resistencia a la c.a. de la bobina respecto al condensador, quedarán en ella la mayor parte del voltaje de zumbido. El resultado se concreta en la práctica eliminación de componente alterna en el condensador de salida C2.

Resumen: Por ser la reactancia del condensador mucho menor que la de la bobina, la parte de zumbido que queda en el condensador de salida es mucho más pequeña que la de la bobina y en tal grado que se puede considerar despreciable.

REPARTO DE LA COMPONENTE CONTINUA C.C. ENTRE L Y C2
     Así como se ha repartido proporcionalmente a las reactancias, la c.c.existente en el condensador C1 también se dividirá entre L y C2 de forma proporcional a las resistencias que le presenten estos componentes.

     La bobina presenta a la c.c. una resistencia igual a la pura del hilo que la forma, que puede ser del orden de los 200Ω. Luego la tensión continua que absorba la bobina vendrá dada por la ley de Ohm, que en el caso de consumir la carga 100 mA será:

                                                                              V3 =I x R = 0,100A x 200Ω =20 V

     Si en la bobina quedan 20 V, el resto de la tensión queda en el condensador C2, puesto que la resistencia de un condensador a la c.c. es prácticamente infinita.
      A este tipo de filtro se le denomina «filtro en π L - C», pues la forma usual de representarlo en los esquemas se asemeja a la letra griega π. Con estos dos nuevos elementos que hemos añadido al filtro principal, que es C1, se consigue que en la nueva salida de la fuente, que es C2, exista una componente alterna c.a. muy reducida y sin embargo la continua c.c. sea muy elevada.

Resumen: Por presentar muy poca resistencia una bobina a la c.c. en ella queda muy poca tensión, sucediendo lo contrario con el condensador C2 en serie con dicha bobina.

FILTRO EN π R:C RESISTENCIA - CONDENSADOR.
Es similar al anterior, pero sustituyendo la bobina de filtro por una resistencia, consiguiendo con este cambio mayor economía, menor volumen, menor peso y menos interferencias de tipo magnético. Las ventajas materiales de este filtro quedan anuladas por las técnicas, en las que deja bastante que desear, como se expondrá a continuación. El esquema básico del filtro en π R - C es el siguiente:

A continuación, y como en el ejemplo anterior, se estudia y desarrolla el reparto de las componentes continua y alterna entre la resistencia y el condensador.

REPARTO DE LA C.A. ENTRE R Y C2
       A la c.a, lo mismo que a la c.c., la resistencia R le presenta igual valor óhmico. En cambio, el condensador, como se vio en el ejemplo anterior, presenta una bajísima reactancia a la c.a. -del orden de los 10Ω, como se desprendía al aplicar la fórmula:
                                              Xc = 1 / (2 x π x f x C)
      Para que la mayor parte del zumbido quede en la resistencia es interesante que el valor de ésta sea alto: del orden de los 1.000 a los 1.500Ω.

a) Vzumbido = V1 + V2.
b) V1 = 100 x V2 (al ser R 100 veces mayor que Xc).
La parte de zumbido que queda en la resistencia es 100 veces mayor que en el condensador, por ser su valor 100 veces mayor.
De esta forma se consigue eliminar casi por completo, como se veía en el filtro del tipo anterior, el zumbido del condensador
de salida C2.
REPARTO DE LA C.C. ENTRE R Y C2
     La resistencia tiene el mismo valor óhmico para la c.c. que para la c.a. En el ejemplo R se supone que vale 1.000Ω y si la carga consume una corriente de 100 mA, la tensión que dicha resistencia absorbe valdrá:
                                                         V = I • R = 0,100 x 1.000 =100 V
Esta tensión, que como se aprecia es importante, se disipa en calor en la resistencia, por lo que el condensador de salida quedará con una componente continua igual a la de C, menos los 100 V que absorbe la resistencia de filtro.

Resumen: El filtro en π R - C es más económico, menos pesado que el L - C y sin interferencias magnéticas, pero si la carga solicita mucha intensidad la resistencia absorbe mucha tensión, quedando muy disminuida la de utilización en la salida.