Download El circuito RC APLICACION Flash de la cámara

10. APLICACIONES DEL CIRCUITO RC (Carga y descarga del capacitor):
Esta sección de aplicaciones para los capacitores incluye tanto la operación de una
cámara desechable económica, de gran popularidad actualmente, como el análisis
del uso de capacitores en acondicionadores de líneas (protectores de picos) que se
encuentran presentes en la mayoría de los hogares y negocios.
Lámpara de flash para cámara fotográfica: El circuito básico para la lámpara de
flash de la popular cámara fotográfica desechable que se muestra en la figura (a)
se proporciona en la figura (b), con la circuitería física apareciendo en la figura (c). Las etiquetas añadidas a la
figura (c) identifican áreas generales del diseño y algunos componentes individuales. Los principales componentes
del circuito electrónico incluyen un capacitor electrolítico polarizado grande de 160 mF, 330 V para almacenar la
carga necesaria para la lámpara de flash, una lámpara de flash para generar la luz requerida, una batería de cd de
1.5 V, una red de conmutación para generar un voltaje de cd superior a 300 V, y una red disparadora para
establecer unos miles de volts durante un periodo muy breve y disparar la lámpara de flash. Existen capacitores
de 22 nF en la red disparadora como se muestra tanto en la figura (b) como en la (c), y un tercer capacitor de 470
pF en el oscilador de alta frecuencia de la red de conmutación.
Observe en particular que el tamaño de cada capacitor se encuentra directamente relacionado con su valor de
capacitancia. Desde luego, despertará cierto interés el que una sola fuente de energía de sólo 1.5 V de cd pueda
convertirse a una de algunos miles de volts (a pesar de que sea durante un periodo muy breve) para disparar la
lámpara de flash. De hecho, esa pequeña batería individual posee la suficiente energía para cubrir todo el
recorrido de la película por la cámara. Siempre debe tenerse presente que la energía se encuentra relacionada
con la potencia y el tiempo mediante W = Pt = (VI)t. Es decir, podrá generarse un mayor nivel de voltaje para un
nivel definido de energía siempre que los factores I y t sean lo suficientemente pequeños.
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Tomado de Boylestad. Análisis de Circuitos. 10 Ed.
Al utilizar por primera vez la cámara se le indica al usuario que accione el botón del flash en la parte frontal de la
cámara y esperar a que aparezca la luz indicadora de que el flash está listo. En cuanto el botón del flash se
presione, se aplicarán los 1.5 V de la batería de cd a una red electrónica (una variedad de redes pueden efectuar
la misma función) que generará una forma de onda osciladora de muy alta frecuencia (con una frecuencia muy
alta y repetitiva) como se muestra en la figura (b). El transformador de alta frecuencia entonces incrementará de
forma significativa la magnitud del voltaje generado y lo transferirá a un sistema de rectificación de media onda
(ver aplicación de diodos rectificadores), dando por resultado un voltaje de cd de aproximadamente 300 V en el
capacitor de 160 mF para cargar al capacitor (según lo determina Q = CV). Una vez que se alcanza el nivel de 300
V, la línea marcada como “señal de muestra” (sense en inglés) de la figura (b) alimentará la información de vuelta
al oscilador y lo apagará hasta que el voltaje de salida de cd caiga a un nivel de umbral bajo. Cuando el capacitor
se encuentre completamente cargado, la luz de neón en paralelo con el capacitor se encenderá (etiquetada como
“lámpara indicadora de flash listo” en la cámara) para indicar que la cámara se encuentra lista para utilizarse. La
red completa desde el nivel de 1.5 V de cd hasta el nivel final de 300 V se denomina convertidor cd-cd. La
terminología red de conmutación proviene de que el voltaje de cd aplicado de 1.5 V se interrumpe en forma
periódica y se convierte a uno que cambia de nivel a una frecuencia muy alta de forma que el transformador
pueda realizar su labor. Aunque la cámara pueda utilizar una lámpara de neón de 60 V, la lámpara de neón y el
resistor en serie Rn deberán contar con los 300 V en la rama antes de que la lámpara de neón se encienda. Las
lámparas de neón son simplemente focos con un gas neón que permite la conducción cuando el voltaje en las
terminales alcanza un nivel lo suficientemente grande. No existe un filamento, o hilo ardiente como en un foco
incandescente, sino simplemente la conducción a través del medio gaseoso. Para cámaras nuevas, la primera
secuencia de carga puede tomar de 12 a 15 segundos. Los posteriores ciclos de carga pueden tomar 7 u 8 s
debido a que el capacitor mantendrá cierta carga residual sobre sus placas. Si no se utiliza la unidad de flash, la luz
de neón consumirá la fuente de 300 V de cd con una corriente de consumo en microampere. A medida que el
voltaje en las terminales caiga, existirá un punto donde la luz de neón se apagará. Para la unidad de la figura
10.72, esto tomará cerca de 15 minutos antes de que la luz se apague. Una vez apagada, la luz de neón no
descargará más al capacitor y el voltaje en las terminales del capacitor permanecerá constante. Sin embargo,
eventualmente el capacitor se descargará debido a su propia corriente de fuga y el voltaje en las terminales caerá
a niveles muy bajos. El proceso de descarga es muy rápido cuando la unidad de flash se utiliza, ya que ocasiona
que el voltaje en las terminales caiga muy rápido (V = Q/C) y, a través de la señal de conexión de
retroalimentación de muestra, se ocasionará que el oscilador arranque nuevamente y recargue al capacitor. El
lector habrá observado al utilizar una cámara de este tipo que una vez que la cámara se encuentra en su estado
inicial, no existe necesidad de presionar el botón de carga entre cada fotografía —ya que esto se realiza de forma
automática—. Sin embargo, si la cámara no se utiliza durante un periodo largo, tendrá que presionarse
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Tomado de Boylestad. Análisis de Circuitos. 10 Ed.
nuevamente el botón de carga; pero se observará que el tiempo de carga será de solamente 3 o 4 s debido a la
carga residual sobre las placas del capacitor.
Los 300 V en el capacitor serán insuficientes para disparar la lámpara. Deberá incorporarse una circuitería
adicional denominada red disparadora para generar los pocos miles de volts necesarios para disparar la lámpara
de flash. El alto voltaje resultante es uno de los motivos de que exista un aviso de PRECAUCIÓN en cada cámara
con respecto a los altos voltajes internos generados y la posibilidad de choque eléctrico si la cámara se abre. Los
miles de volts requeridos para disparar la lámpara de flash demandan un análisis que presenta elementos y
conceptos superiores al nivel actual del texto. Sin embargo, esta descripción es sensible a este hecho y deberá
considerarse simplemente como una primera exposición de algunas de las interesantes posibilidades disponibles
a partir de la mezcla correcta de elementos. Cuando el interruptor del flash ubicado en la parte inferior izquierda
de la figura 10.72(a) se cierre, establecerá una conexión entre los resistores R1 y R2. Mediante una acción de
divisor de voltaje, un voltaje de cd se presentará en la terminal de compuerta (G) del SCR (Rectificador Controlado
de Silicio, un dispositivo cuyo estado es controlado por el voltaje en la terminal de compuerta). Este voltaje de cd
“encenderá” al SCR y establecerá una trayectoria de muy baja resistencia (similar a un corto circuito) entre sus
terminales de ánodo (A) y cátodo (K). En este punto el capacitor de disparo, el cual está conectado de forma
directa a los 300 V presentes en el capacitor, se cargará rápidamente a 300 V debido a que ahora cuenta con una
trayectoria directa de baja resistencia a tierra a través del SCR. Una vez que alcance 300 V, la corriente de carga
en esta parte de la red caerá a 0 A, y el SCR se abrirá nuevamente dado que es un dispositivo que requiere de una
corriente constante en el circuito del ánodo para permanecer encendido. El capacitor permanece entonces
conectado a la bobina paralela (sin conexión a tierra a través del SCR) con sus 300 V y comienza a descargarse con
rapidez a través de la bobina debido a que la única resistencia en el circuito que afecta la constante de tiempo es
la resistencia de la bobina en paralelo. Como resultado, una corriente que cambia rápidamente a través de la
bobina generará un alto voltaje en la bobina por motivos que se presentarán en el capítulo 12.
Cuando el capacitor desciende a cero volts, la corriente a través de la bobina será de cero ampere, pero se habrá
establecido un fuerte campo magnético alrededor de la bobina. Este fuerte campo magnético se colapsará
entonces rápidamente, estableciendo una corriente dentro de la red paralela que recargará nuevamente al
capacitor. Este intercambio continuo entre los dos elementos de almacenamiento continuará durante cierto
periodo, dependiendo de la resistencia en el circuito. Mientras mayor resistencia, menor “oscilación” del voltaje a
la salida. Esta acción de la energía “saltando de regreso” al otro elemento es la base del efecto de “flyback” que
con frecuencia se utiliza para generar altos voltajes de cd como los requeridos en los televisores. En la figura (b),
se observa que la bobina de disparo está conectada directamente a una segunda bobina para constituir un
autotransformador (un transformador con un extremo conectado). Mediante la acción del transformador el alto
voltaje que se genera en la bobina de disparo se incrementará más, dando por resultado los 4000 V necesarios
para disparar la lámpara de flash. Observe en la figura (c) que los 4000 V se aplican a una rejilla que se encuentra
sobre la superficie del tubo de vidrio de la lámpara de flash (sin conexión interna o en contacto con los gases).
Cuando se aplique el voltaje de disparo, excitará los gases existentes en la lámpara, ocasionando que una
corriente muy alta se desarrolle dentro del foco durante un periodo muy breve y produciendo la brillante luz
deseada. La corriente en la lámpara está soportada por la carga del capacitor de 160 mF la cual se disipará muy
rápido. El voltaje del capacitor caerá muy rápido, la lámpara se apagará y el proceso de carga comenzará
nuevamente. Si todo este proceso no ocurriera tan rápido como sucede, la lámpara se fundiría después de tan
solo una utilización.
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Tomado de Boylestad. Análisis de Circuitos. 10 Ed.
Acondicionador de línea (Protector de picos)
En años recientes se ha vuelto familiar la utilización de los acondicionadores de línea
como una medida de seguridad para computadoras, televisores, reproductores de
discos compactos y otros instrumentos delicados. Además de proteger el equipo de
picos repentinos de voltaje y corriente, la mayoría de las unidades de calidad
también filtran (eliminan) interferencia electromagnética (EMI, ElectroMagnetic
Interference) e interferencia de radio frecuencia (RFI, Radio-Frequency Interference).
EMI incluye cualquier perturbación no deseada en la línea de energía establecida por
cualquier combinación de efectos electromagnéticos como los generados por motores en la línea, equipo de
potencia en el área emitiendo señales que son captadas por la línea de alimentación al actuar como una antena,
etc. RFI incluye todas las señales en el aire en la gama de frecuencias de audio y superior las cuales pueden
también ser captadas por las líneas de alimentación dentro o fuera de la casa.
La unidad de la figura 10.73 posee todas las
características de diseño esperadas para un
buen acondicionador de línea. La figura 10.73(a)
muestra que éste puede manejar la energía de
6 contactos y cuenta con protección para FAX/
MODEM. También se observa que tiene dos
indicadores de LED (diodos emisores de luz) los
cuales revelan si existe alguna falla en la línea o
si ésta se encuentra en condiciones adecuadas,
así como un interruptor de circuito externo
para reiniciar el sistema. Además, cuando el
protector de picos se encuentra encendido, se
observará una luz roja en el interruptor de
encendido.
El esquema de la figura 10.73(b) no incluye todos los detalles del
diseño, pero muestra los principales componentes que aparecen
en la mayoría de los acondicionadores de línea de calidad.
Observe primero, en la fotografía de la figura 10.73(c), que los
contactos se encuentran en paralelo, con una barra de tierra
utilizada para establecer una conexión a tierra para cada
contacto. La tarjeta de circuito tuvo que voltearse para mostrar
los componentes, por lo que se necesita cierto ajuste para
relacionar la posición de los elementos sobre la tarjeta con la
cubierta. La línea de alimentación o cable energizado (negro en
la unidad presente) se conecta de forma directa desde la línea
hasta el interruptor de seguridad del circuito. El otro extremo del
interruptor de seguridad se conecta al otro extremo de la tarjeta de circuito. Todos los discos grandes que se
observan son capacitores de 2 nF/73 [no todos se incluyen en la figura 10.73(b) por claridad].
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Tomado de Boylestad. Análisis de Circuitos. 10 Ed.
Existen bastantes capacitores para manejar todas las posibilidades. Por ejemplo, capacitores de la línea al retorno
(cable negro a cable blanco), de la línea a tierra (negro a verde) y del retorno a tierra (blanco a tierra). Cada uno
tiene dos funciones.
La primera función y la más obvia es evitar cualquier pico en el voltaje que pueda alcanzar la línea debido a
efectos externos, como los relámpagos, para que no llegue a los equipos conectados a la unidad. Recuérdese de
este capítulo que el voltaje en los capacitores no puede cambiar de forma instantánea y que, de hecho, actuará
para nivelar cualquier cambio súbito en el voltaje en sus terminales. Por tanto, el capacitor evitará que el voltaje
de línea a neutro cambie demasiado rápido, y cualquier pico que trate de ingresar a la línea tendrá que buscar
otro punto en el circuito de alimentación para cruzar. De esta forma, los aparatos conectados al protector de
picos estarán bien protegidos.
La segunda función requiere cierto conocimiento de la reacción de los capacitores a diferentes frecuencias y será
analizada con mayor detalle en los siguientes capítulos. Por el momento, es suficiente decir que el capacitor
tendrá diferente impedancia a diferentes frecuencias, evitando de esta forma que frecuencias no deseadas, como
las asociadas con perturbaciones de EMI y RFI, afecten la operación de las unidades conectadas al acondicionador
de línea. El capacitor en forma rectangular de 1 mF cercano al centro de la tarjeta se conecta directamente a
través de la línea para absorber el choque de un fuerte pico de voltaje en la línea. Su mayor tamaño es clara
evidencia de que se encuentra diseñado para absorber una alto nivel de energía establecido por un voltaje grande
—corriente significativa durante un periodo que puede exceder unos cuantos milisegundos.
La estructura grande de forma anular ubicada en el centro de la tarjeta del circuito en la figura 10.73(c) tiene dos
bobinas (Capítulo 12) de 228 mH que aparecen en la línea y el neutro de la figura 10.73(b). Su propósito, como el
de los capacitores, es doble: bloquear los picos de corriente que lleguen a la línea e impedir que EMI y frecuencias
RFI no deseadas alcancen los sistemas conectados. En el siguiente capítulo, se verá que las bobinas actúan como
“bloqueadores” para cambios rápidos en la corriente, es decir, la corriente a través de una bobina no puede
cambiar de forma instantánea. Para frecuencias crecientes, como las asociadas con perturbaciones EMI y RFI, la
reactancia de una bobina se incrementará y absorberá la señal no deseada en lugar de dejarla pasar a la línea.
Utilizar un bloqueador (“choke” en inglés) tanto en la línea como en el neutro propicia que la red del
acondicionador se encuentre balanceada a tierra. En resumen, los capacitores dentro de una línea acondicionada
tienen el efecto de desviar las perturbaciones, mientras que los inductores bloquean la perturbación.
El disco más pequeño (azul) entre dos capacitores que está cercano al interruptor de seguridad del circuito es un
MOV (varistor de metal-óxido), el cual constituye el corazón de la mayoría de los acondicionadores de línea. Es un
dispositivo electrónico cuyas características entre terminales cambiarán con el voltaje aplicado en sus terminales.
Para el intervalo de valores normales en la línea, su resistencia entre terminales será lo suficientemente grande
como para considerarse un circuito abierto, y su presencia puede ignorarse. Sin embargo, si el voltaje es
demasiado grande, sus características entre terminales cambiarán de una resistencia muy grande a una muy
pequeña la cual puede considerarse esencialmente como un corto circuito. Esta variación en la resistencia ante el
voltaje aplicado es la razón para denominarlo varistor. En Estados Unidos, donde el voltaje de línea es de 120 V,
los MOV son de 180 V o más. La razón para la diferencia de 60 V es que el valor nominal de 120 V es un valor
efectivo relacionado con los niveles de voltaje de cd, mientras que la forma de onda para el voltaje en cualquier
contacto de 120 V tiene un valor pico de cerca de 170 V.
Al observar el símbolo de un MOV en la figura (b) se verá que tiene una flecha en cada dirección, lo cual revela
que el MOV es bidirecccional y que bloqueará voltajes con cualquier polaridad. Por tanto, en general, para
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Tomado de Boylestad. Análisis de Circuitos. 10 Ed.
condiciones normales de operación, la presencia del MOV puede ignorarse; pero si se presenta un pico grande en
la línea, que exceda el valor nominal del MOV, éste actuará como un corto a través de la línea para proteger los
circuitos conectados.
Ello resulta en una mejora mayor que el hecho simple de colocar un fusible en la línea debido a que el MOV es
sensible al voltaje, puede reaccionar mucho más rápido que un fusible, y presentará características de baja
resistencia sólo durante un periodo corto. Cuando el pico haya pasado, el MOV regresará a su característica
normal de circuito abierto. Si el lector se pregunta dónde irá el pico si la carga está protegida por un corto
circuito, debe recordarse que todas las fuentes de perturbación como tormentas eléctricas, generadores, motores
inductivos (como en aires acondicionados, lavavajillas, motosierras, etc.) tienen su propia “resistencia de fuente”,
y siempre existirá cierta resistencia en la línea para absorber la perturbación.
La mayoría de los acondicionadores de línea, como parte de su publicidad, mencionan su nivel de absorción de
energía. El valor nominal de la unidad de la figura 10.73 es de 1200 J, el cual es más alto que el de la mayoría. Si
de la argumentación anterior sobre las cámaras se recuerda que W = Pt = EIt, podrá apreciarse que si un pico de
5000 V llegara a la línea, se tendría el producto It = W/E = 1200 J/5000 V = 240 mAs. Al asumir una relación lineal
entre todas las cantidades, el nivel de energía especificado revela que una corriente de 100 A podría mantenerse
durante t = 240 mAs/100 A = 2.4 ms, una corriente de 1000 A durante 240 ms, y una corriente de 10,000 A
durante 24 ms. Obviamente, mientras mayor sea el producto de E e I, menor será el elemento de tiempo.
Las especificaciones técnicas para la unidad de la figura 10.73 incluyen un tiempo de respuesta instantáneo de 0
ns (cuestionable), con una protección de línea telefónica de 5 ns. La unidad tiene una capacidad nominal para
disipar picos de hasta 6000 V y picos de corriente hasta de 96,000 A. Posee un nivel muy alto de supresión de
ruido (80 dB; vea el capítulo 23) para frecuencias de 50 kHz a 1000 MHz y (como crédito para la compañía) cuenta
con una garantía de por vida decir, la corriente a través de una bobina no puede cambiar de forma instantánea.
Para frecuencias crecientes, como las asociadas con perturbaciones EMI y RFI, la reactancia de una bobina se
incrementará y absorberá la señal no deseada en lugar de dejarla pasar a la línea. Utilizar un bloqueador (“choke”
en inglés) tanto en la línea como en el neutro propicia que la red del acondicionador se encuentre balanceada a
tierra. En resumen, los capacitores dentro de una línea acondicionada tienen el efecto de desviar las
perturbaciones, mientras que los inductores bloquean la perturbación.
El disco más pequeño (azul) entre dos capacitores que está cercano al interruptor de seguridad del circuito es un
MOV (varistor de metal-óxido), el cual constituye el corazón de la mayoría de los acondicionadores de línea. Es un
dispositivo electrónico cuyas características entre terminales cambiarán con el voltaje aplicado en sus terminales.
Para el intervalo de valores normales en la línea, su resistencia entre terminales será lo suficientemente grande
como para considerarse un circuito abierto, y su presencia puede ignorarse. Sin embargo, si el voltaje es
demasiado grande, sus características entre terminales cambiarán de una resistencia muy grande a una muy
pequeña la cual puede considerarse esencialmente como un corto circuito. Esta variación en la resistencia ante el
voltaje aplicado es la razón para denominarlo varistor. En Estados Unidos, donde el voltaje de línea es de 120 V,
los MOV son de 180 V o más. La razón para la diferencia de 60 V es que el valor nominal de 120 V es un valor
efectivo relacionado con los niveles de voltaje de cd, mientras que la forma de onda para el voltaje en cualquier
contacto de 120 V tiene un valor pico de cerca de 170 V. Este tema se tratará a profundidad en el capítulo 13.
Al observar el símbolo de un MOV en la figura 10.73(b) se verá que tiene una flecha en cada dirección, lo cual
revela que el MOV es bidirecccional y que bloqueará voltajes con cualquier polaridad. Por tanto, en general, para
condiciones normales de operación, la presencia del MOV puede ignorarse; pero si se presenta un pico grande en
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la línea, que exceda el valor nominal del MOV, éste actuará como un corto a través de la línea para proteger los
circuitos conectados.
Ello resulta en una mejora mayor que el hecho simple de colocar un fusible en la línea debido a que el MOV es
sensible al voltaje, puede reaccionar mucho más rápido que un fusible, y presentará características de baja
resistencia sólo durante un periodo corto. Cuando el pico haya pasado, el MOV regresará a su característica
normal de circuito abierto. Si el lector se pregunta dónde irá el pico si la carga está protegida por un corto
circuito, debe recordarse que todas las fuentes de perturbación como tormentas eléctricas, generadores, motores
inductivos (como en aires acondicionados, lavavajillas, motosierras, etc.) tienen su propia “resistencia de fuente”,
y siempre existirá cierta resistencia en la línea para absorber la perturbación. La mayoría de los acondicionadores
de línea, como parte de su publicidad, mencionan su nivel de absorción de energía. El valor nominal de la unidad
de la figura 10.73 es de 1200 J, el cual es más alto que el de la mayoría. Si de la argumentación anterior sobre las
cámaras se recuerda que W = Pt = EIt, podrá apreciarse que si un pico de 5000 V llegara a la línea, se tendría el
producto It = W/E = 1200 J/5000 V = 240 mAs. Al asumir una relación lineal entre todas las cantidades, el nivel de
energía especificado revela que una corriente de 100 A podría mantenerse durante t = 240 mAs/100 A = 2.4 ms,
una corriente de 1000 A durante 240 ms, y una corriente de 10,000 A durante 24 ms. Obviamente, mientras
mayor sea el producto de E e I, menor será el elemento de tiempo.
Las especificaciones técnicas para la unidad de la figura 10.73 incluyen un tiempo de respuesta instantáneo de 0
ns (cuestionable), con una protección de línea telefónica de 5 ns. La unidad tiene una capacidad nominal para
disipar picos de hasta 6000 V y picos de corriente hasta de 96,000 A. Posee un nivel muy alto de supresión de
ruido (80 dB; vea el capítulo 23) para frecuencias de 50 kHz a 1000 MHz y (como crédito para la compañía) cuenta
con una garantía de por vida.
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