Una alternativa interesante para las fuentes de energía en diversos proyectos es el capacitor. Los capacitores pueden almacenar energía y eso los hace viables como fuentes para alimentar diversos tipos de circuitos. Con el advenimiento de los supercapacitores, la cantidad de energía almacena se rivaliza con la de baterías y eso amplía su gama de aplicaciones. Vea en este artículo cómo utilizar los capacitores como fuentes de energía.
Los capacitores almacenan energía en campos eléctricos mientras que las baterías comunes almacenan energía en los reactivos químicos en su interior. Esta diferencia hace que la operación de los dos sea diferente cuando suministran energía a un circuito externo, pero al final, ambos pueden suministrar energía a este circuito.
Así, mientras que el ciclo de descarga de una batería común hace que ella mantenga la tensión casi constante en un largo intervalo de tiempo, la descarga de un capacitor se hace según una curva exponencial, como muestra la figura 1.
Sin embargo, entre dos puntos de la descarga, los dos pueden funcionar eficientemente como fuentes de energía alimentando dispositivos externos.
Hasta hace poco los capacitores no eran empleados como fuente de energía, a no ser en muy pocas aplicaciones, por dos motivos. El primero es que no era posible obtener capacitores suficientemente grandes para almacenar una buena cantidad de energía. En segundo lugar, la mayoría de los dispositivos que deberían ser alimentados tenían un consumo demasiado alto para poder depender de un capacitor.
En las actuales tecnologías que permiten obtener capacitores con valores extremadamente altos y dispositivos electrónicos de consumo muy bajo hacen viable la utilización de capacitores como fuentes de energía.
Capacitores de valores elevados
Los capacitores electrolíticos comunes con capacidades superiores a 10 000 uF son comunes en nuestros días. Estos capacitores pueden proporcionar una corriente de 1 mA a un LED durante varios minutos. Alimentando microcontroladores y circuitos CMOS que tengan consumos más bajos todavía, un capacitor puede mantenerlos en funcionamiento por mucho tiempo. Sin embargo, estos capacitores todavía son demasiado grandes para aplicaciones móviles y alimentando un motor, su autonomía se medir en segundos. En la figura 2 tenemos algunos ejemplos de capacitores de este tipo.
Los capacitores de tántalo pueden presentar mayor capacitancia en menor volumen, pero su costo todavía es elevado y los tipos de valores por encima de 1 000 uF no son comunes. Esto impide que estos capacitores sean utilizados de manera eficiente como fuente de energía.
Supercapacitores, Ultracapacitores o EDLC (Electric Double Layer Capacitores)
Con la capacidad de almacenar cargas extremadamente altas que llegan a 2 Farads o incluso más, estos capacitores se aproximan mucho a las baterías porque pueden alimentar dispositivos de bajo consumo por horas, días o incluso semanas. Los capacitores de este tipo se utilizan en teléfonos móviles para mantener datos en la memoria cuando la batería se cambia o se retira.
Conforme el nombre indica, "doble capa eléctrica" ??en inglés, estos capacitores consisten en dos electrodos de carbono inmersos en un electrolito orgánico, como muestra la figura 3.
Durante la carga, los iones cargados del electrolito migran a los electrodos de polaridad opuesta debido a la presencia de un campo eléctrico entre estos electrodos; Este campo es creado por la tensión aplicada. De esta forma, se crean dos capas de cargas separadas, dando nombre al dispositivo. Si bien está en funcionamiento similar a una batería, las cargas creadas dependen de una acción electrostática, mientras que en una batería depende de la acción química.
A pesar de tener una gran densidad de potencia, la tensión que soportan es muy baja, del orden de 2,3 V. Por encima de eso tenemos un efecto electrolítico que destruye el componente.
Ultracapacitores, Hipercapacitores y supercapacitores ya se pueden encontrar en algunos proveedores que operan por Internet, pero todavía tienen uso limitado. En la figura 4 tenemos ejemplo de estos capacitores.
Circuitos Prácticos
Los lectores que deseen pueden hacer algunos experimentos simples con capacitores como fuente de energía. Una idea interesante es utilizar este experimento para levantar la curva de descarga de este tipo de componente. Un trabajo práctico para la clase de física ...
1. Alimentación de un LED
En la figura 5 tenemos entonces un primer circuito que se puede utilizar para alimentar un LED común. El valor del resistor determina la velocidad de la descarga, pero también el brillo del LED. Así, mayor resistencia significa menor brillo, pero mayor tiempo en que el LED permanece encendido. Los capacitores de 1 000 a 10 000 uF pueden ser utilizados.
Para cargar el LED se pueden utilizar cuatro pilas comunes o el circuito de la figura 6 que permite que el capacitor se cargue con una tensión mayor y por lo tanto tenga mayor autonomía.
2. Carga de alta tensión
Las lámparas de neón se alimentan con una tensión de al menos 80 V, pero presentan un consumo extremadamente bajo. Así, cargando un capacitor, incluso de valor bajo, con una tensión de al menos 100 V podemos hacer que alimente una lámpara neón, manteniéndola encendida por varios minutos. En este caso también, el resistor va a determinar el consumo y por lo tanto por cuánto tiempo el capacitor alimenta la lámpara. El circuito se da en la figura 7.
Para cargar el capacitor damos el circuito de la figura 7. Este circuito proporcionará aproximadamente 150 V al capacitor si está conectado a la red de 110 V y proporcionará cerca de 300 V si está conectado a la red de 220 V. El capacitor debe tener una tensión de trabajo de al menos 200 V si se utiliza en la red de 110 V y al menos 400 V si se utiliza en la red de 220 V.
Recordamos que este circuito está conectado directamente a la red de energía y que por lo tanto se debe tener el máximo cuidado con su manejo pues cualquier toque en parte viva causará choques peligrosos.
Para cargar el capacitor basta tocar por unos segundos en sus terminales con los hilos de las fuentes indicadas en los dos casos. Evite hacer la carga con el LED o la lámpara de neón conectada al capacitor. No toque los terminales del capacitor en el segundo experimento, cuando esté encendido, ya que la descarga ocurrirá a través de su cuerpo con un fuerte choque.
Conclusión
Para proyectos prácticos de bajo consumo o de baja autonomía todavía podemos utilizar capacitores como fuente de energía. Sin embargo, los ultracapacitores todavía son difíciles de obtener para un proyecto práctico. En la práctica existen algunos juguetes y aplicaciones que ya utilizan estos componentes; Podemos citar el caso de los micro-helicópteros que en lugar de batería utilizan capacitores para almacenar energía. En la figura 9 tenemos un ejemplo de estos juguetes.
Creemos sin embargo, que en poco tiempo, podremos contar con ultra-capacitores de diversos tamaños y capacidades para aplicaciones más interesantes. Para que el lector tenga una idea de los progresos que están ocurriendo en este campo, una empresa estadounidense anunció un ultracapacitor del tamaño de una moneda que puede almacenar suficiente energía para dar la salida en el motor de un camión. El dispositivo se utilizará como fuente auxiliar de energía en los vehículos en lugar de la batería tradicional!