Circuitos de CA con Capacitores: Reactancia Capacitiva, Desfase y Comportamiento de Potencia
Capacitores vs. Resistores
A diferencia de los resistores, que permiten corriente proporcional a la caída de voltaje, los capacitores se oponen a los cambios de voltaje. Absorben o suministran corriente mientras se cargan o descargan a un nuevo nivel de voltaje.
La corriente que fluye "a través" de un capacitor es directamente proporcional a la tasa de cambio del voltaje a través de él —un efecto conocido como reactancia. Este comportamiento es opuesto a la reactancia inductiva observada en inductores.
Características del Circuito Capacitivo
La relación entre corriente y cambio de voltaje se expresa matemáticamente como:
Aquí, de/dt (o dv/dt) denota la tasa de cambio del voltaje instantáneo (voltios por segundo), C es la capacitancia en Faradios, y i es la corriente en Amperios.
Para ilustrar estos conceptos, considere un circuito simple de solo CA:
En un circuito capacitivo puro, el voltaje del capacitor retrasa a la corriente 90°.
Trazar el voltaje y la corriente revela una diferencia de fase de 90°:
Formas de onda en un circuito capacitivo puro.
La corriente instantánea es cero cuando el voltaje alcanza un pico (sin cambio). Alcanza su máximo cuando la pendiente del voltaje es más pronunciada, es decir, en los cruces por cero. Consecuentemente, la corriente adelanta al voltaje 90°, y el voltaje se retrasa detrás de la corriente.
El voltaje retrasa a la corriente 90° en un circuito capacitivo puro.
La relación de potencia refleja la de los inductores: la potencia instantánea oscila entre valores positivos y negativos. Un capacitor no disipa potencia; simplemente intercambia energía con el circuito.
La potencia instantánea alterna entre positiva y negativa en un circuito capacitivo puro.
Reactancia Capacitiva
Los capacitores se oponen a los cambios de voltaje, lo que se traduce en reactancia contra voltaje de CA —una cantidad medida en ohmios y denotada como XC. Como la corriente es proporcional a la tasa de cambio de voltaje, un capacitor conduce más corriente a frecuencias más altas y menos a frecuencias más bajas.
Por tanto, la reactancia capacitiva es inversamente proporcional a la frecuencia:
Reactancia de un Capacitor de 100 µF
| Frecuencia (Hz) | Reactancia (Ω) |
|---|---|
| 60 | 26,5258 |
| 120 | 13,2629 |
| 2500 | 0,6366 |
A diferencia de la reactancia inductiva —que aumenta con la frecuencia— la reactancia capacitiva disminuye. La ecuación puede escribirse como XC = 1/(2πfC) = 1/(ωC), donde ω es la frecuencia angular en radianes por segundo.
En un circuito serie simple, la corriente de CA es igual al voltaje aplicado dividido por la reactancia capacitiva, igual que la ley de Ohm se aplica a resistores:
Como el voltaje y la corriente están fuera de fase, el ángulo de fase de la reactancia capacitiva es –90°. Este componente imaginario negativo es crucial para analizar redes de CA complejas que combinan resistencia y reactancia.
El voltaje retrasa a la corriente 90° en un capacitor.
Conclusiones Clave
- La reactancia capacitiva (XC) se opone a la CA y se mide en ohmios.
- Se calcula como XC = 1/(2πfC) y disminuye al aumentar la frecuencia.
- La corriente adelanta al voltaje 90°, resultando en un ángulo de fase de –90° para el componente reactivo.
- Los capacitores almacenan y liberan energía sin disipar potencia.
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