Claves de aprendizaje

● Conocer las fórmulas para convertir la capacitancia en impedancia.

● Obtener una mayor comprensión de cómo interactúan la capacitancia y la impedancia.

● Aprender más sobre la importancia de la impedancia en el análisis de circuitos de CA.

Capacitancia y su relación con la impedancia

El campo de la electrónica contiene varios parámetros que calibran, ayudan y afectan a la funcionalidad, así como al rendimiento, de cada dispositivo electrónico. Estos parámetros afectan a las decisiones de diseño iniciales y finales.

Parámetros como la capacitancia y la impedancia deben permanecer dentro de los límites de diseño aceptables o incluso el diseño más preciso no proporcionará el resultado funcional deseado. Además, hay casos en los que la conversión de un parámetro en el equivalente de otro es un requisito. Una de estas conversiones, como la de capacitancia a impedancia, es un requisito del análisis detallado de circuitos de CA.

Capacitores y capacitancia

El componente asociado a la capacitancia es, por supuesto, un condensador, y la capacidad de un sistema para almacenar una carga eléctrica se llama capacitancia. En física, es la relación de cambio de una carga eléctrica en un sistema con respecto a un cambio en su potencial eléctrico. En cualquier caso, la unidad estándar de capacitancia es el faradio.

Estos componentes electrónicos pasivos almacenan energía en forma de campo electrostático. En su forma más pura, un condensador incorpora dos placas conductoras separadas por un material aislante llamado dieléctrico. La capacidad de un condensador es directamente proporcional a la superficie de sus placas e inversamente proporcional a la separación entre éstas. Sin embargo, la capacitancia neta también depende de la constante dieléctrica de la sustancia que separa las placas.

Al convertir la impedancia de un condensador, utilizamos la fórmula Z = -jX. Hay que tener en cuenta que la reactancia es un parámetro más inequívoco, y define cuánta resistencia tendrá un condensador a una frecuencia determinada. Como se ha dicho anteriormente, conocer la impedancia es necesario para un análisis detallado del circuito de CA.

Inductor e impedancia

Entender la impedancia en un circuito de CA

La impedancia es la resistencia activa de un circuito o componente eléctrico a la CA por los efectos combinados de la reactancia y la resistencia óhmica. En otras palabras, la impedancia es la extensión de los principios de la resistencia en los circuitos de CA. También definimos la impedancia como cualquier obstrucción, o la medida de la oposición de una corriente eléctrica, al flujo de energía cuando se aplica tensión.

La definición más técnica es la oposición total que ofrece un circuito eléctrico al flujo de CA de una sola frecuencia. En resumen, es una combinación de reactancia y resistencia que medimos en ohmios, y la representamos con el símbolo Z.

La reactancia (X) expresa la resistencia de un componente a la CA, mientras que la impedancia (Z) indica la resistencia de un componente tanto a la CA como a la CC. La mostramos como un número complejo mediante el uso de la siguiente fórmula: Z = R + jX. Idealmente, la impedancia de un resistor es el equivalente a su resistencia. En estas circunstancias, la parte real o verdadera de la impedancia es la resistencia, y la parte imaginaria es nula o cero.

Convertir la capacitancia en impedancia

Existen calculadoras de reactancia capacitiva que permiten determinar la impedancia de un condensador, siempre que se tenga el valor de su capacitancia (C) y la frecuencia de la señal que lo atraviesa (f). Se introduce la capacidad en faradios, picofaradios, microfaradios o nanofaradios y la frecuencia en unidades de GHz, MHz, kHz o Hz. Por ejemplo, una capacitancia de 2 faradios a una frecuencia de 100 hertzios producirá una impedancia de 0,0008 ohmios.

La siguiente es la fórmula necesaria para calcular los valores anteriores:

Ahora entendemos los parámetros de una resistencia ideal donde su impedancia es igual a su resistencia. Sin embargo, la impedancia de un condensador perfecto es igual a la magnitud de su reactancia, aunque estos dos parámetros no son idénticos. Expresamos la reactancia como un número ordinario en ohmios, y la impedancia del condensador es la reactancia multiplicada por -j. Esto se correlaciona con la siguiente fórmula Z = -jX. En este contexto, el término -j representa el desplazamiento de fase de 90 grados que se produce entre la corriente y la tensión en un circuito puramente capacitivo.

Utilizando la ecuación de conversión

Al utilizar la ecuación anterior (XC = 1/ωC = 1/2πƒC), se puede obtener la reactancia de un condensador, y para convertirla en la impedancia de un condensador se puede utilizar la fórmula Z = -jX. Recuerde que la reactancia es un valor de parámetro más aparente, y discierne cuánta resistencia tiene un condensador a una frecuencia específica.

De las ecuaciones anteriores se desprende que la reactancia de un condensador es inversamente proporcional tanto a la capacitancia como a la frecuencia. Por lo tanto, una mayor capacitancia y una mayor frecuencia se traducen en una menor reactancia. Esta relación inversa entre la frecuencia y la reactancia facilita el uso de condensadores para bloquear los componentes de baja frecuencia de una señal mientras que simultáneamente permite el paso de los componentes de alta frecuencia.

La capacitancia en un circuito de CA es fácilmente discernible, pero es la impedancia la que es un requisito para el análisis minucioso del circuito de CA. Lógicamente, esto significa que obtener una mayor comprensión de la importancia de cómo interactúan estos dos parámetros es primordial.

Bobinado de hilo de cobre del inductor

Tener circuitos funcionales y fiables depende de tener el conjunto adecuado de software de diseño y análisis para ayudarle a crear sus circuitos, modelos de simulación y huellas. Las funciones de diseño front-end de Cadence se integran con el potente simulador PSpice para crear el sistema de software ideal para el diseño y la simulación de circuitos.

Si quiere saber más sobre cómo Cadence tiene la solución para usted, hable con nosotros y con nuestro equipo de expertos.