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Lección Capacitancia en AC · Circuitos RC y factor de potencia

Circuitos RC en serie

En un RC serie con AC, la impedancia Z combina resistencia R y reactancia X_C en quadratura: Z = √(R² + X_C²). La corriente es la misma en R y C (I = V_T / Z). El voltaje se reparte en R y C con fases distintas: V_R en fase con I, V_C retrasa 90° respecto a I. Hay potencia disipada en R y reactiva en C.

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Topología serie: una sola corriente

Resistencia y capacitor en serie con la fuente AC. La corriente que sale de la fuente pasa por R y luego por C (orden puede invertirse; en serie es la misma I).

Consecuencia clave:

I = V_T / Z

V_R = I × R

V_C = I × X_C

Los voltajes no se suman aritméticamente porque están desfasados. Se suman vectorialmente (fasores).

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Impedancia Z

Z = √(R² + X_C²)

Unidad: ohm (Ω). Es la oposición total al flujo AC.

Ejemplo. R = 30 Ω, X_C = 40 Ω

Z = √(900 + 1600) = √2500 = 50 Ω

Si V_T = 120 V → I = 120/50 = 2,4 A

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Ángulo de fase θ (corriente adelanta al voltaje total)

En circuito RC (más R que componente capacitiva en el ángulo):

θ = arctan(X_C / R) — la corriente adelanta al voltaje de fuente V_T.

Del triángulo de impedancia:

cos θ = R / Z (factor de potencia, lección 8)

El triángulo de impedancia tiene:

  • cateto horizontal = R
  • cateto vertical = X_C
  • hipotenusa = Z
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Voltajes en R y C

ElementoMagnitudFase respecto a I
V_RI × REn fase con I
V_CI × X_CI adelanta a V_C 90°

Suma fasorial:

V_T = √(V_R² + V_C²) (cuando R y C puros)

Caso numérico con I = 2,4 A, R = 30 Ω, X_C = 40 Ω:

  • V_R = 2,4 × 30 = 72 V
  • V_C = 2,4 × 40 = 96 V
  • V_T = √(72² + 96²) = 120 V

Nota de campo: V_C puede ser mayor que V_T en circuitos donde X_C >> R. En RC puro con R significativo, V_T es la hipotenusa.

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Potencia en RC serie

  • Potencia verdadera (W) disipada solo en R:

P = I² × R = V_R × I × cos θ

  • Potencia reactiva (VAR) en C:

Q_C = I² × X_C = V_C × I × sin θ

  • Potencia aparente (VA):

S = V_T × I = √(P² + Q²)

En C ideal no hay P en el capacitor; toda la P está en R.

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Interpretación física en campo

El capacitor de arranque en serie con la bobina auxiliar del motor es un RLC real (bobina tiene R + X_L). Simplificado como RC para aprendizaje: el cap crea V_C desfasado que ayuda al campo magnético. Si C falla (abierto), X_C → ∞, I → 0 en ese modelo ideal → no hay par de arranque.

En filtros paso bajo RC, la salida se toma en R o en C según diseño; la atenuación depende de Z a distintas frecuencias.

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Orden de conexión R–C

En serie, intercambiar R y C no cambia Z ni I total (mismos componentes en serie). Cambia qué punto midas como «entrada» vs «salida» en filtros.

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Medición con multímetro vs osciloscopio

Multímetro en AC da RMS de V_R, V_C por separado si mides en cada elemento. No verás que V_R + V_C > V_T en pantalla si sumas números — eso confirma desfase. Osciloscopio con dos canales muestra el adelanto de I respecto a V_T si mides corriente con pinza.

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Errores de cálculo frecuentes

  1. Sumar V_R + V_C aritméticamente.
  2. Usar X_C en DC o con f equivocada.
  3. Olvidar que Z ≠ R + X_C (no es suma directa).
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Caso de campo

Situación. Placa de temporizador: R fija en serie con C metalizado alimentada por 24 VAC control. Documentación indica Z total ~500 Ω a 60 Hz para limitar corriente. El cap midió 4,7 µF (OK). ¿R esperada?

X_C = 1/(2π×60×4,7×10⁻⁶) → 564 Ω

Si Z = 500 Ω pero X_C solo ya es 564 Ω, el diseño no cuadra — cap degradado hacia mayor µF o f medida distinta. Recalcular con µF real; si C subió, X_C bajó y la corriente subió → calentamiento en R.

Acción. Medir C, R, I en servicio; reemplazar C dentro de tolerancia; verificar que R no se desvalorizó.

En el campo

Síntoma

Voltajes parciales que «no cierran»; calor en R; cap no limita corriente

Dónde mirar

RC serie en control, arranque, filtros

Causas probables

  1. C abierto (I bajo), C corto (I alto), R abierto (I cero)

Qué medir

  1. V_T, V_R, V_C, I, µF, R

Qué no hacer

  • Sumar voltajes RMS sin fasores
  • ignorar f en X_C

Checklist

  • Calculo Z = √(R² + X_C²)
  • Obtengo I = V_T / Z
  • Calculo V_R = I×R y V_C = I×X_C
  • Sumo voltajes con Pitágoras (fasores)
  • Identifico P en R y Q en C
  • Dibujo triángulo de impedancia antes de calcular

Errores comunes

Síntoma Causa típica Acción
V_T < V_R + V_C en papel Suma aritmética incorrecta Usar √(V_R² + V_C²)
Corriente mayor de lo calculado C mayor o R menor Medir componentes
«No hay caída en C» Cap cortado Medir X_C / µF
Z = R + X_C Confundir impedancia Usar Pitágoras