2.4.6. Medida de la capacidad [C]

graph TD A["Medida de la Capacidad (Condensadores)"] --> B["Principios de Medida"] A --> C["Comportamiento Eléctrico"] A --> D["Seguridad en Planta"] B --> B1["Puentes de CA: Sauty y Schering"] B --> B2["Frecuencímetros de Oscilación (Constante RC)"] C --> C1["Reactancia Capacitiva: Xc = 1 / (2 * pi * f * C)"] C --> C2["Corrección del cos phi (Baterías de Condensadores)"] D --> D1["Descarga de Seguridad previa (Resistencia Sangradora)"] D --> D2["Comprobación del dieléctrico (Megado)"] style A fill:#2c3e50,color:#fff style B fill:#2980b9,color:#fff style C fill:#27ae60,color:#fff style D fill:#8e44ad,color:#fff

Concepto físico de capacitancia y sus unidades

La capacidad eléctrica o capacitancia, denotada por la letra $C$, es la propiedad física de un dispositivo conductor (denominado condensador o capacitor) para acumular carga o cantidad de electricidad en forma de un campo electrostático interno cuando se aplica una diferencia de potencial a través de sus bornes. La unidad de medida para la capacidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Faradio ($\text{F}$). Un Faradio representa una capacidad tan inmensa que un condensador de este valor acumulador almacenaría un Culombio completo al ser conectado a una diferencia de potencial de un voltio.

Por este motivo, en los cuadros industriales y en el ámbito de la electrónica de control y potencia, se emplean de forma ordinaria submúltiplos del Faradio, tales como:

$$\text{Microfaradio } (\mu\text{F}) = 10^{-6}\ \text{F}$$

$$\text{Nanofaradio } (\text{nF}) = 10^{-9}\ \text{F}$$

$$\text{Picofaradio } (\text{pF}) = 10^{-12}\ \text{F}$$

La medida precisa de esta magnitud física permite evaluar el envejecimiento térmico del dieléctrico de los condensadores electrolíticos de filtrado de las fuentes de alimentación del armario, o los módulos capacitivos de las baterías de compensación del factor de potencia de la fábrica, los cuales pierden capacidad de forma paulatina con el uso continuo debido al calor interno del armario.

Comportamiento en corriente alterna y reactancia capacitiva

Cuando un condensador es conectado a una red activa de corriente alterna, la alternancia periódica de la tensión de la fuente provoca ciclos constantes de carga y descarga en sus armaduras conductoras. Esto origina el paso aparente de una corriente alterna permanente por la línea de acometida, aunque no exista un paso real de electrones a través del aislante o dieléctrico. La oposición física que ofrece el condensador a esta corriente alterna se denomina reactancia capacitiva ($X_c$), se mide en Ohmios ($Ω$), y su valor es inversamente proporcional a la frecuencia del circuito ($f$, en Hz) y a la capacidad del condensador ($C$, en Faradios):

$$X_c = \frac{1}{2 \pi \cdot f \cdot C}$$

De esta relación matemática se concluye que un condensador se comporta como un cortocircuito a frecuencias elevadas de conmutación (lo que le permite derivar a tierra las señales parásitas de alta frecuencia e interferencias electromagnéticas EMI) y como un circuito abierto ante fuentes estáticas de corriente continua ($f = 0$). El técnico en mantenimiento industrial utiliza este comportamiento de la reactancia para evaluar la impedancia reactiva del condensador midiendo con voltímetro y amperímetro la intensidad reactiva en bornes y despejando la capacidad real mediante la expresión derivada de la ley de Ohm.

Principios de medición de capacidad y puentes de CA

Los medidores de capacidad comerciales (conocidos como capacímetros) implementados en multímetros de taller emplean diversos principios físicos para determinar el valor de $C$ de un condensador. Uno de los métodos digitales más comunes se basa en medir el tiempo de respuesta en un circuito transitorio de resistencia y capacidad (circuito RC). El capacímetro carga el condensador a corriente constante y mide el tiempo ($t$) que tarda la tensión en alcanzar un porcentaje definido de la tensión de carga, deduciendo el valor de la capacitancia a través de la constante de tiempo $\tau = R \cdot C$.

Por otro lado, para medidas metrológicas de gran precisión y laboratorio, se emplean puentes de corriente alterna:

El Puente de Sauty es la variante del puente de Wheatstone para corriente alterna. Emplea un oscilador de audiofrecuencia como generador de señal y auriculares o medidores de cero selectivos en la diagonal para balancear dos condensadores en paralelo con resistencias variables. Para condensadores con pérdidas eléctricas debidas a la resistencia en serie equivalente del dieléctrico (ESR), se utiliza el Puente de Schering, que permite determinar de forma simultánea tanto la capacidad pura como el factor de disipación ($\tan\delta$) del dieléctrico, parámetro crítico en el diagnóstico del estado de degradación física de aislamientos.

Figura: Técnicas de medición de capacidad y medidas de seguridad. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

Normas de seguridad y descarga segura de condensadores

La manipulación de condensadores eléctricos, en especial aquellos destinados a la corrección del factor de potencia (cos phi) en cuadros generales o los condensadores de filtrado de gran capacidad en SAIs y variadores de frecuencia, exige el cumplimiento riguroso de protocolos de seguridad debido al riesgo extremo de choque eléctrico por almacenamiento residual de energía:

Un condensador cargado puede almacenar su tensión nominal durante horas o días después de haber desconectado la alimentación del cuadro. Nunca se debe tocar ni cortocircuitar directamente los bornes de un condensador cargado con un destornillador. El arco de cortocircuito resultante no solo puede deteriorar de forma definitiva las armaduras del propio condensador, sino que puede provocar la explosión física del componente, la soldadura del destornillador y quemaduras severas en los ojos del operario debido a la liberación instantánea de calor por efecto Joule. Antes de medir, se debe desconectar la tensión y descargar el condensador a través de una resistencia de descarga de valor adecuado (generalmente de $1\ \text{k}Ω$ a $10\ \text{k}Ω$ con potencia de disipación suficiente) para limitar la corriente de descarga a valores inocuos.

Figura: Visualización de formas de onda senoidales en pantalla de osciloscopio de taller. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

🐍 Código Python: Calculador de Reactancia Capacitiva y Constante RC



# Script en Python para calcular la reactancia capacitiva de un condensador

# a la frecuencia de red y estimar el tiempo de descarga segura a través de una resistencia.



import math



def calcular_reactancia_y_descarga(capacidad_uf, frecuencia_hz, tension_v, r_descarga_ohm):

    print("💡 ESTUDIO DINÁMICO DE CONDENSADORES E IMPEDANCIA:")

    print("=" * 60)

    

    # Conversión de microfaradios a Faradios

    capacidad_f = capacidad_uf * 1e-6

    

    # Cálculo de Reactancia Capacitiva Xc = 1 / (2 * pi * f * C)

    if frecuencia_hz > 0:

        reactancia_xc = 1 / (2 * math.pi * frecuencia_hz * capacidad_f)

    else:

        reactancia_xc = float('inf') # Circuito abierto en CC

        

    # Constante de tiempo del circuito de descarga (Tau = R * C)

    tau_segundos = r_descarga_ohm * capacidad_f

    

    # Tiempo de descarga segura estimado (5 * Tau equivale a descargar el 99.3% de la tensión inicial)

    tiempo_descarga_segundos = 5 * tau_segundos

    

    # Energía almacenada inicial (E = 0.5 * C * V^2)

    energia_joules = 0.5 * capacidad_f * (tension_v ** 2)

    

    print(f"💡 Capacidad nominal del condensador: {capacidad_uf} uF")

    print(f"💡 Reactancia capacitiva a {frecuencia_hz} Hz: {reactancia_xc:.2f} Ohm")

    print(f"💡 Tensión inicial de servicio: {tension_v} V")

    print(f"💡 Energía electrostática almacenada: {energia_joules:.3f} Joules")

    print("-" * 60)

    print(f"? Constante de tiempo de descarga (Tau): {tau_segundos * 1000:.2f} ms")

    print(f"? Tiempo estimado de descarga segura (5 Tau): {tiempo_descarga_segundos:.3f} segundos")

    print(f"💡 Resistencia de descarga recomendada: {r_descarga_ohm} Ohm")

    print("=" * 60)



# Simulación: Condensador de 4700 uF a 50 Hz cargado a 325 V descargado con resistencia de 1 kOhm

calcular_reactancia_y_descarga(capacidad_uf=4700.0, frecuencia_hz=50.0, tension_v=325.0, r_descarga_ohm=1000.0)

Este código estima la impedancia alterna y el tiempo físico de descarga en tareas de mantenimiento.

🔧 Laboratorio Práctico: Rizado y Dimensionado del Filtro Capacitivo

En el diseño de la fuente de alimentación del armario, deseamos rectificar una señal senoidal monofásica de 24 V RMS a 50 Hz empleando un puente rectificador. El circuito demanda una corriente permanente de 3 A. Para asegurar que el rizado de tensión continua no supere el 10% y evitar fallos de conmutación en los relés, decidimos instalar un condensador electrolítico de 10000 $\mu$F. Para registrar la caída de rizado y los voltajes característicos, abrimos el simulador:

Abre el módulo de Rectificador CA-CC en el asistente REBT Calc.
Introduce los valores de ensayo del diseño:
- Tensión de entrada (V_rms): 24 V
- Frecuencia de red: 50 Hz
- Corriente de consumo (Ib): 3 A
- Capacidad del condensador: 10000 $\mu$F
Haz clic en calcular y observa la tensión de rizado residual de pico a pico ($V_{rizado}$) estimada por la calculadora de filtros capacitivos.

📂 Abrir Módulo de Rectificador CA-CC en REBT Calc

Pregunta de Laboratorio:

Si introducimos una tensión eficaz de entrada de 24 V CA a 50 Hz, una corriente de consumo de 3 A y un condensador de 10000 uF, ¿cuál es la tensión de rizado (V_rizado) resultante de pico a pico?

📋 Caso Práctico: Unidades de capacidad

Contexto: En la placa de datos de un condensador de arranque de un motor monofásico en un armario de maniobra, se observa el valor de capacidad expresado como 47 microfaradios.

Pregunta: ¿Cuál es el factor de conversión matemático para expresar este valor medido de capacidad en la unidad fundamental del Faradio (SI)?

📋 Caso Práctico: Reactancia capacitiva y frecuencia

Contexto: Se conecta un condensador de corrección de factor de potencia a una línea de alimentación afectada por fuertes componentes armónicos de alta frecuencia (250 Hz).

Pregunta: ¿Qué comportamiento físico experimenta la reactancia del condensador y la corriente de línea ante la presencia de estos armónicos?

📋 Caso Práctico: Seguridad de descarga del condensador

Contexto: Debes desconectar y retirar del armario eléctrico un condensador electrolítico de potencia de la fuente de alimentación que ha estado sometido a 400 V.

Pregunta: ¿Qué operación de seguridad obligatoria se debe ejecutar inmediatamente después de cortar el suministro eléctrico del cuadro?

💡 ¡Es hora de jugar!

Pon a prueba tus conocimientos sobre Conexiones e Instrumentación en la sesión interactiva del aula.

Iniciar Sesión Juahoot de Repaso