¿Por qué usamos capacitores y no baterías en el desfibrilador?

Las baterías suelen utilizar reacciones electroquímicas para almacenar energía. Estas reacciones tienen un límite en la rapidez con la que pueden transferir esa energía. Por ejemplo, una batería típica de automóvil de plomo ácido solo puede consumir cierta cantidad de energía; después de cierto punto, comienza a descomponerse, produciendo gas hidrógeno que luego puede encenderse con el oxígeno libre en el aire. Una analogía sería una batería de gravedad, como una gran presa de agua a un nivel de energía gravitacional más alto. Abrir una puerta permitiría que el agua fluya y tal vez podría hacer funcionar un circuito con algún voltaje durante un mes seguido. Sin embargo, es posible que nunca pueda superar ese nivel de voltaje si es mucho más alto porque no hay forma de aprovechar toda la energía, como si la presa se abriera por completo de una vez. Por lo tanto, existen límites claros para evaluar si se puede descargar.

Los condensadores pueden almacenar mejor grandes diferencias de potencial; sin embargo, a menudo no pueden mantener los voltajes durante largos períodos de tiempo. Esto se debe a que los capacitores simplemente usan un campo eléctrico y varias geometrías para almacenar energía.

Entonces, si solo necesita una pequeña ráfaga de energía, puede reducir el tamaño de la batería requerida mediante el uso de un condensador. Básicamente, el condensador almacena un voltaje más alto que los terminales de la batería y luego lo libera. De lo contrario, se requeriría una batería mucho más grande, pero con la batería más grande obtendría un voltaje más sostenido que un capacitor. Busque los "amperios por hora" de una batería. La batería contiene más energía que el capacitor, pero el capacitor puede producir un voltaje más alto. Consulte también la energía específica o la densidad de energía de varios tipos de baterías y luego los condensadores.

También debido a la energía limitada del condensador, tal vez esto evita la posibilidad de algún tipo de circuito atascado donde se permite que la energía fluya continuamente. Tal vez se necesitaría un circuito más complejo con una batería para obtener un pico de voltaje corto, cerrándose y luego abriéndose rápidamente. Puede obtener chispas y ruido, etc. Con el condensador, una vez que el circuito está cerrado, puede dejarse cerrado y el condensador simplemente descargará su potencial y eso es todo.

El desfibrilador requiere un alto voltaje para hacer su trabajo. por lo general, esto requeriría una pila de baterías muy grande (cientos de celdas individuales) para lograr el requisito de voltaje. En cambio, los desfibriladores usan un paquete de baterías más pequeño para impulsar un circuito de corte que eleva el voltaje a través de un transformador, después de lo cual el resultado se rectifica, filtra y almacena en un banco de condensadores de baja fuga. esto minimiza el peso y el volumen de la máquina, así como su costo.

La respuesta corta es que, aunque los capacitores no contienen tanta energía total como una batería del mismo tamaño, pueden liberar energía más rápido que las baterías.

En un desfibrilador portátil (¡o un taser!), una batería carga un capacitor, luego el capacitor libera la carga en el sujeto mucho, mucho más rápido de lo que podría haber sido suministrado directamente desde la batería.

Los condensadores muy grandes que se utilizan en los desfibriladores pueden suministrar (brevemente) de 2000 a 6000 voltios.

La capacidad de entregar energía con relativa rapidez es básicamente la distinción entre un " condensador " y una " batería recargable ". Esto no es tanto un hecho de la física como lo que significan las palabras.

Por ejemplo, en el gráfico siguiente:
${\require{color}} {\definecolor{capacitor}{RGB}{255,10,10}} {\definecolor{lightCapacitor}{RGB}{255,131,131}} {\definecolor{battery}{RGB}{186,138,20}} {\definecolor{lightBattery}{RGB}{219,194,133}} % %\text{For example, in the below plot:} \\ \hskip{1em} \lower{2.5ex}{ \begin{array}{l} {\rlap{\color{capacitor}{\rule{15px}{15px}}}} {\rlap{\raise{4px}{\hskip{4px} \color{lightCapacitor}{\rule{7px}{7px}}}}} \hskip{21px} {\raise{2px}{ {\color{capacitor}{\textbf{Li-ion capacitor}}} ~\text{has a higher discharge rate; though} }} \\ {\rlap{\color{battery}{\rule{15px}{15px}}}} {\rlap{\raise{4px}{\hskip{4px} \color{lightBattery}{\rule{7px}{7px}}}}} \hskip{21px} {\raise{2px}{{\color{battery}{\textbf{Li-ion battery}}} ~\text{can store more energy.}}} \end{array} }$
$\hskip{50px}$${\require{cancel}} {\def\place#1#2#3{\smash{\rlap{\hskip{#1px}\raise{#2px}{#3}}}}} \place{305}{219}{\color{capacitor}{\bcancel{\phantom{\rule{97px}{25px}}}}} \place{377}{191}{\color{battery}{\cancel{\phantom{\rule{25px}{7px}}}}}$

Tenga en cuenta que la potencia tiene unidades de$\left[\frac{\text{energy}}{\text{time}}\right]$. Es decir, la potencia es la velocidad a la que se entrega la energía.

Conceptualmente, parece haber un conflicto de intereses entre almacenar energía y poder perderla rápidamente (es decir, entregar energía). Como se muestra arriba, las tecnologías particulares tienden a tener una compensación entre su capacidad para almacenar y entregar energía.

Este conflicto puede verse como similar al de la reversibilidad termodinámica en la que los procesos más lentos tienden a tener mayores eficiencias. Por ejemplo, la calefacción útil tiene las eficiencias termodinámicas más altas cuando fluye hacia abajo por gradientes de temperatura arbitrariamente pequeños, aunque cuanto más pequeño sea el gradiente de temperatura, más tiempo tardará una cantidad finita de calor en moverse a través de él.

En termodinámica, un proceso reversible es un proceso cuya dirección se puede "invertir" al inducir cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema a través de su entorno, sin aumento de entropía. A lo largo de todo el proceso reversible, el sistema está en equilibrio termodinámico con su entorno. Dado que el proceso reversible tardaría una cantidad infinita de tiempo en terminar, los procesos perfectamente reversibles son imposibles.

– "Proceso reversible (termodinámica)" , Wikipedia [formato y referencias omitidas]

En realidad, es un poco divertido pensar en los aspectos teóricos de la información sobre por qué sucede esto. Por ejemplo, probablemente haya oído hablar de cómo la entropía es una medida del desorden; quizás se vea más correctamente como una calificación de cómo podrían fluir los estados en un conjunto de estados posibles. Cuando hay más vías de flujo no unidas, las cosas pueden moverse más rápido; sin embargo, eso también significa que la entropía crece, filtrando trabajo útil.

Además, esa fuga de trabajo útil se manifiesta como energía térmica (calor), lo que puede ser bastante problemático cuando se trata de electrónica de alto voltaje.

Como nota histórica, los condensadores solían ser mecanismos más físicos para almacenar energía, mientras que las baterías solían ser mecanismos más químicos para almacenar energía (con algunas excepciones divertidas ). Esto sigue siendo cierto a menudo hoy en día, aunque tal vez sea mejor verlo como una casualidad histórica que como un concepto básico para seguir la pista. Cosas como los supercondensadores y otras tecnologías seguirán desdibujando la línea, ya que realmente no hay razón para que un sistema bien diseñado se limite a un solo enfoque físico.

Como nota final, un desfibrilador podría utilizar baterías para su principal almacenamiento de energía, utilizándolas para cargar condensadores que podrían descargarse rápidamente. Este patrón de diseño se llama desacoplamiento de carga transitoria , donde la carga transitoria es la demanda eléctrica del choque y el desacoplamiento es cómo la batería tiene menos exposición directa a ella.

Un aspecto que no se ha cubierto en la otra respuesta es lo que realmente se necesita para que un desfibrilador funcione de manera confiable y segura .

¡Desfibrilar un corazón no es simplemente "bien, electrocutemos al paciente"! Para no dañar el corazón, se necesita una aplicación de energía muy cuidadosa. Eso significa que el desfibrilador debe crear un pulso eléctrico "bien comportado", que tenga unas características eléctricas bien definidas , que también debe ser ajustable según el paciente específico.

Todo esto requiere una buena cantidad de electrónica. Es mucho más fácil, a partir de un punto de vista de diseño de electrónica, construir un circuito que cargue unos capacitores a un voltaje (alto) bien definido y luego los descargue de manera controlada en el cuerpo, todo esto usando la energía almacenada en "estándar" bajo baterías de voltaje que también alimentan todo el circuito.

Si bien las baterías pueden almacenar mucha energía, no pueden liberarla lo suficientemente rápido como para administrar la descarga necesaria para la desfibrilación. Dado que los condensadores pueden descargarse mucho más rápidamente, se utilizan en su lugar después de haber sido cargados a alto voltaje.$\left(\approx3000\mathrm{V}\right)$. Al seleccionar el tamaño correcto del capacitor, se puede controlar la fuerza del choque.

Este artículo proporciona más información sobre cómo funcionan los desfibriladores. Básicamente, los condensadores provocan un gran diferencial de tensión entre los electrodos, lo que provoca una fuerte descarga eléctrica cuando esos electrodos entran en contacto con el cuerpo.