¿Cómo funciona un circuito RC, especialmente las cargas en el condensador?

Circuito de carga RC

Todos los circuitos o sistemas eléctricos o electrónicos sufren algún tipo de “retraso de tiempo” entre su entrada y salida, cuando se le aplica primero una señal o voltaje, ya sea continuo, (CC) o alterno (CA). Este retraso generalmente se conoce como el retraso de tiempo o constante de tiempo del circuito y es la respuesta de tiempo del circuito cuando se aplica primero un voltaje o señal de paso.

** La constante de tiempo resultante de cualquier circuito o sistema electrónico dependerá principalmente de los componentes reactivos, ya sean capacitivos o inductivos, y es una medida del tiempo de respuesta con unidades de, Tau – τ

Cuando se aplica un voltaje de CC creciente a un condensador descargado, el condensador extrae una corriente de carga y se “carga”, y cuando se reduce el voltaje, el condensador se descarga en la dirección opuesta. Debido a que los condensadores pueden almacenar energía eléctrica, actúan como pequeñas baterías y pueden almacenar o liberar la energía según sea necesario.

La carga en las placas del condensador se da como: Q = CV. Esta carga (almacenamiento) y descarga (liberación) de la energía de un condensador nunca es instantánea, sino que tarda una cierta cantidad de tiempo en ocurrir con el tiempo que tarda el condensador en cargarse o descargarse dentro de un cierto porcentaje de su valor de suministro máximo conocido como su constante de tiempo (τ).

Si una resistencia se conecta en serie con el condensador que forma un circuito RC, el condensador se cargará gradualmente a través de la resistencia hasta que el voltaje a través del condensador alcance el voltaje de suministro. El tiempo también llamado respuesta transitoria, requerido para que el capacitor se cargue completamente es equivalente a aproximadamente 5 constantes de tiempo o 5T.

Este tiempo de respuesta transitoria T, se mide en términos de τ = R x C, en segundos, donde R es el valor de la resistencia en ohmios y C es el valor del condensador en Faradios. Esto forma la base de un circuito de carga RC donde 5T también puede considerarse como “5 x RC”.

Curvas de circuito de carga RC

Supongamos arriba, que el condensador, C está completamente “descargado” y el interruptor (S) está completamente abierto. Estas son las condiciones iniciales del circuito, entonces t = 0, i = 0 y q = 0. Cuando el interruptor se cierra, el tiempo comienza en t = 0 y la corriente comienza a fluir hacia el capacitor a través de la resistencia.

Dado que el voltaje inicial a través del condensador es cero, (Vc = 0) el condensador parece ser un cortocircuito al circuito externo y la corriente máxima fluye a través del circuito restringido solo por la resistencia R. Luego, usando la ley de voltaje de Kirchoff (KVL ), las caídas de voltaje alrededor del circuito se dan como:

La corriente que ahora fluye alrededor del circuito se llama Corriente de carga y se encuentra usando la ley de Ohms como: i = Vs / R.

El condensador ahora comienza a cargarse como se muestra, con el aumento de la curva de carga RC más pronunciada al principio porque la velocidad de carga es más rápida al inicio y luego se reduce a medida que el condensador adquiere carga adicional a una velocidad más lenta.

A medida que el condensador se carga, la diferencia de potencial entre sus placas aumenta lentamente con el tiempo real que tarda la carga en el condensador para alcanzar el 63% de su voltaje máximo posible, en nuestra curva de 0.63 V que se conoce como una constante de tiempo, (T) .

Este punto de voltaje de 0.63Vs tiene la abreviatura de 1T (una constante de tiempo).

El condensador continúa cargándose y la diferencia de voltaje entre Vs y Vc se reduce, al igual que la corriente del circuito, i. Luego, en su condición final mayor de cinco constantes de tiempo (5T) cuando se dice que el capacitor está completamente cargado, t = ∞, i = 0, q = Q = CV. Luego, en el infinito, la corriente disminuye a cero, el condensador actúa como una condición de circuito abierto, por lo tanto, la caída de voltaje es completamente a través del condensador.

Matemáticamente podemos decir que el tiempo requerido para que un capacitor se cargue hasta una constante de tiempo, (1T) se da como:

Constante de tiempo RC, Tau

Esta constante de tiempo RC solo especifica una velocidad de carga donde, R está en Ω y C en Farads.

Dado que el voltaje V está relacionado con la carga en un condensador dado por la ecuación, Vc = Q / C, el voltaje a través del valor del voltaje a través del condensador (Vc) en cualquier instante en el tiempo durante el período de carga se da como:

  • Dónde:
  • Vc es el voltaje a través del condensador
  • Vs es la tensión de alimentación
  • t es el tiempo transcurrido desde la aplicación de la tensión de alimentación.
  • RC es la constante de tiempo del circuito de carga RC

Después de un período equivalente a 4 constantes de tiempo, (4T) el condensador en este circuito de carga RC está prácticamente cargado por completo y el voltaje a través del condensador ahora es aproximadamente el 98% de su valor máximo, 0.98Vs. El período de tiempo que tarda el condensador en alcanzar este punto 4T se conoce como el período transitorio .

Después de un tiempo de 5T, el condensador ahora está completamente cargado y el voltaje a través del condensador, (Vc) es igual al voltaje de suministro, (Vs). Como el condensador está completamente cargado, no fluye más corriente en el circuito. El período de tiempo después de este punto 5T se conoce como el período de estado estacionario .

Luego podemos mostrar en la siguiente tabla el porcentaje de voltaje y los valores de corriente para el condensador en un circuito de carga RC para una constante de tiempo dada.

La corriente siempre fluye desde el terminal + ve de la fuente de voltaje, pasa a través del circuito y luego vuelve a entrar en la fuente de voltaje a través de su terminal -ve.

Consulte la figura de arriba. Cuando el interruptor se enciende al colocarlo en la posición “a”, la resistencia se conecta a + ve de la batería. La corriente comienza a fluir desde el terminal + ve de la batería, fluye a través de R y C, y vuelve a entrar en el terminal -ve de la batería. En este proceso, el capacitor se carga con el lado de la resistencia del capacitor volviéndose positivo.

Cuando el interruptor se apaga llevándolo a la posición b, el condensador comienza a descargarse. Ahora el condensador actúa como fuente de voltaje. Como el terminal del lado del resistor del capacitor es positivo, la corriente comienza a fluir fuera del mismo terminal, pasa a través del resistor, a través del terminal B del interruptor y vuelve a entrar en el lado de cinco del interruptor.

Si tiene alguna consulta / duda, por favor comente.

En su ejemplo, la corriente disminuye desde un pico (en el instante en que realiza una conexión) hacia cero, a medida que se carga el condensador. Cuando abre el interruptor, el condensador se descargará, generalmente como una chispa a través de los contactos del interruptor cuando este se abre.

Parece bastante obvio que la corriente de descarga, es decir, el flujo de electrones, tiene que ir en sentido opuesto a la corriente de carga. Si fue de la misma manera, entonces el condensador tendría que estar cargando nuevamente, lo que ciertamente no está funcionando. Se dirige hacia cero, es decir, potencial de tierra, a través del devanado del transformador (digamos), al saltar la alta resistencia del entrehierro cuando se abre el interruptor. La descarga no es instantánea, aunque casi lo es. Pero una vez que hay la brecha más pequeña, es decir, el voltaje de suministro llega a cero, el arco comenzará. Ioniza el aire, lo que proporciona un camino conductor que permite que el arco continúe, y se alargue a medida que los contactos del interruptor se separan, hasta que la descarga se haya completado sustancialmente.

No se muestra ningún circuito que sepa dónde se encuentra el interruptor, pero SI la corriente de carga en el condensador se vuelve CW, la descarga debería ir en sentido contrario a las agujas del reloj, sin duda.