Un Transformador Capacitivo se relaciona con el campo técnico de la electroenergética y la electrotecnia.

El transformador es una máquina eléctrica empleada en transformar voltaje en circuitos de corriente alterna. Funciona por el principio de inducción electromagnética y de una manera simple se forma por dos bobinas una de entrada y otra de salida llamadas primaria y secundaria respectivamente, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético. Sus principales características están en ser máquinas reversibles, aumentan o disminuyen voltaje a la frecuencia de la fuente, poseen relaciones de transformación sencillas determinadas por las relaciones de vuelta entre devanados primarios y secundarios, permiten relaciones de transformaciones continuas, transfieren la energía de acuerdo al calibre del conductor y el área del material ferromagnético, las fuentes de ineficiencia en el mismo son las pérdidas de hierro y las del cobre, generalmente son pesados y voluminosos con una alta producción de interferencia electromagnética.

La capacitancia es una propiedad de los conductores eléctricos de almacenar carga a un voltaje determinado la cual depende de la configuración geométrica y disposición de los mismos, lo cual es la base para el dispositivo conocido como capacitor o condensador. Se compone por dos placas metálicas separadas por un material dieléctrico por el que circula el campo eléctrico, almacenando así la carga de manera mecánica en la orientación de los dipolos del dieléctrico. Son de gran utilidad y se encuentran en casi todos los circuitos que trabajen con corriente alterna o directa cumpliendo distintas funciones como: estabilización de tensión, filtrado de corrientes, almacenamiento de energía, entre otras. Los capacitores pueden varían su capacitancia a través de tres vías fundamentales: variación del tamaño de las placas, de la separación de las mismas o alteración de las propiedades del dieléctrico. Dentro del primer grupo se encuentran algunos capacitores mecánicos y otros orgánicos que varían el tamaño de las placas, dentro del segundo también aparecen algunos mecánicos y los varactores o diodos varicap, por ultimo aparecen los condensadores que varían las propiedades del material dieléctrico los que lo hacen fundamentalmente por variación de la temperatura o efectos magnéticos. Al estar presente el transformador en todas las ramas de la energía eléctrica ya sea industrial o doméstica, se demanda cada día más la integración, reducción de peso y volumen de los mismos lo cual lleva a la búsqueda de nuevas alternativas que cumplan dichos requisitos, así como más eficiencia y menos contaminación electromagnética. El instituto chino Northwest Research con una patente registrada CN105006976, refiere un Transformador de Capacitor Novedoso siendo más compacto y basando su funcionamiento en el efecto de inductancia mutua, el mismo principio empleado en los transformadores eléctricos convencionales. La transformación de voltaje se logra a través de la circulación por el mismo en el primario de las llamadas corrientes de desplazamiento las cuales producen igualmente un campo magnético variable el cual induce en el bobinado secundario un voltaje a manera de la combinación entre un transformador convencional y un capacitor eléctrico.

El objeto de la presente invención es lograr una mayor integración, reducción de pérdidas energéticas, peso y volumen, así como reducir la contaminación electromagnética en el proceso de reducción de voltaje de corriente alterna CA y corriente directa CD de manera pasiva, no existiendo en la técnica actual dispositivo que transforme el voltaje de CD de manera pasiva. Pudiéndose emplear en transformar los sistemas eléctricos de CA a CD sin afectar la continuidad del servicio al funcionar en ambas, con un elevado ahorro económico y ambiental a nivel global, además de almacenar energía procedente de fuentes renovables en periodos de su obtención para ser usado en otros momentos. Posibilitando la creación de sistemas compactos de transformación de voltaje e iluminación, la obtención de energía eléctrica de la atmosfera, la transmisión inalámbrica de electricidad, calentamiento de sustancias en diferentes estados y otras aplicaciones que usen el principio descrito.

La presente invención se logra a través de introducir uno o varios capacitores dentro de otro para aprovechar la energía generada por el campo eléctrico del externo en la reducción de voltaje y variación de capacidad eléctrica. Se conforma por tres o más placas conductoras separadas por materiales dieléctricos de uno o varios tipos las cuales se distribuyen geométricamente en las configuraciones de capacitores que son plana, cilindrica, esférica o lineal, disponiendo al menos de dos placas externas y una o varias internas colocadas de forma que las placas interiores maximicen la circulación del campo eléctrico generado por las placas externas haciendo uso del efecto de influencia total. El diseño externo y otros aspectos no son relevantes solo el uso del principio descrito, aunque el mismo estará encapsulado dentro de un material dieléctrico que luego se reviste por fuera de un conductor metálico el cual anula la salida del campo eléctrico al exterior.

El Dibujo 1 muestra un esquema simple de los posibles para la realización de la invención el cual tomaremos en cuenta para describir su principio de funcionamiento. El funcionamiento físico de los capacitores es el mismo para cualquier configuración geométrica, para facilitar la imagen se describe un capacitor dentro de otro con placas planas paralelas espaciadas en el externo a una distancia“D = 3d” y el interior otro capacitor cuyas placas son también paralelas entre si y a las exteriores aisladas a una distancia“d” entre ellas y de las exteriores. Estas se encuentran separadas por un material dieléctrico, no existiendo en el ejemplo de realización ningún encapsulado. Las placas conductoras son numeradas por 1 , 2, 3 y 4 las que poseen conductores eléctricos soldados siempre hacia el interior de la invención como se aprecia en el Dibujo 1 y conectan estas al exterior.

Como consideración experimental se tiene que el voltaje es constante y no cambia polaridad, es decir una fuente ideal de corriente directa pues el análisis en corriente alterna es el mismo solo considerando que varía la dirección del campo eléctrico y las polaridades en las placas.

El T ransformador Capacitivo que aparece en el Dibujo 1 actúa como capacitor controlado por voltaje al emplear el capacitor exterior placas“1 y 4” como controlador y las placas “2 y 3” como capacitor controlado, estando conectado a la carga de trabajo la cual quiere ser controlada su capacidad. Al alimentar las placas exteriores“1 y 4” con un voltaje se puede aumentar el campo eléctrico en el capacitor interior lo cual aumenta la carga que es capaz de almacenar haciendo un efecto de variación de capacidad lo cual se explica por el aumento de la alineación de los dipolos del dieléctrico entre“2 y 3”. El campo eléctrico formado por las placas“2 y 3” no afecta al exterior de“1 y 4” pues como una placa posee carga positiva y la otra negativa se anulan en el exterior del mismo.

El Transformador Capacitivo que aparece en el Dibujo 1 actúa como reductor de voltaje al aplicar un voltaje“U” en los terminales exteriores“1 y 4” en el interior aparece un campo eléctrico el cual idealmente circula completamente a través del dieléctrico y las placas conductoras“2 y 3” colocadas entre las mismas produciendo así una separación de cargas en estas por efecto de inducción eléctrica. Las caras de cada placa son cargadas con valores iguales pero de signo contrario conservando así la carga total del conductor como neutra, efecto el cual produce que el campo en el interior del conductor sea nulo. Como los conductores que conectan al exterior están en el extremo interior en las placas“2 y 3” tenemos que las mismas pueden ser drenadas con cargas +q y -q de igual magnitud de la carga existente en las placas exteriores“1 y 4”. Los conductores serán soldados en una de las caras del conductor no en todo el conductor, además en las caras interiores del capacitor interno para que mantenga la polaridad aunque esto no es relevante. La circulación del campo eléctrico entre “1 y 4” produce superficies equipotenciales las cuales son paralelas a estas y a su vez a“2 y 3”, lo cual produce una diferencia de voltaje“V” en estas dada por la relación de las distancias“d” dividido por “D” multiplicado por el voltaje aplicado entre“1 y 4”, es decir de acuerdo a el Dibujo 1 :“V = U 13" . La relación de transformación es independiente de los materiales empleados, además es importante identificar que si el voltaje es dependiente del tiempo, igualmente lo será el campo eléctrico, el cual induce el voltaje interior. Es decir el análisis realizado se hace para un instante de tiempo, lo cual deduce si el voltaje es variable en el tiempo igualmente varia el proceso aquí descrito.

Las configuraciones en serie de capacitores para corriente directa no producen el efecto divisor de voltaje, pero este diseño al compartir ambos capacitores el campo eléctrico se producen dos fenómenos físicos los que posibilitan su funcionamiento: Primero el aprovechamiento de superficies equipotenciales dentro del campo eléctrico, Segundo las cargas eléctricas que se forman en las caras de los conductores interiores comienzan a drenarse lo cual produce que en el interior de los conductores aparezca un campo eléctrico que genera corrientes de desplazamiento para compensar las mismas, manteniendo así en cero el campo eléctrico del conductor.

La transferencia de potencia del Transformador Capacitivo viene dada por la mitad del voltaje que se obtiene del capacitor interior y su capacidad. Por tanto como la separación entre las placas define la relación de voltaje entonces la corriente que transfiere el mismo depende del área y la constante dieléctrica del material empleado. Las características del capacitor externo muestran la cantidad de energía que es capaz de almacenar y que tiempo es capaz de sustentar el consumidor estando desconectado de la red eléctrica o la fuente de alimentación (solo en corriente directa).

Para las pruebas de funcionamiento el autor confeccionó un Transformador Capacitivo con papel de aluminio el cual se emplea para repeler la radiación solar de las tuberías de clima, el cual no se separó del papel acompañante y se colocó cinta aislante en los bordes para evitar el contacto entre cada placa. Igualmente se conectaron los conductores como se describió anteriormente empleando el esquema del Dibujo 1 . Para probar su funcionamiento en corriente alterna se conectó directamente a la línea de 1 10V observándose un voltaje de salida de 43V aproximadamente. Luego se realiza la misma prueba con corriente directa empleando una fuente de 24V y se constata un voltaje de salida de 4.8V aproximadamente. Las características tan rudimentarias del dispositivo no permiten captar correctamente las superficies equipotenciales que forma el capacitor externo, además el área y las características dieléctricas del papel son tan bajas que no permiten a penas transferencia de energía.

Por último se emplea un metro que mide capacidad el cual se conecta al capacitor interior y luego la parte exterior es sometida a un voltaje de una pila de 9V constatando así la variación de la capacidad de 9.5nf aproximadamente a 13.4nf.