UNIVERSIDAD FERMIN TORO
VICE RECTORADO ACADEMICO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE TELECOMUNICACIONES
Participante:
Kent González
Asignatura: Circuitos Eléctricos I
SAIA A
Prof. José Morillo
Junio, 2015
Condensador Eléctrico
Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en
electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.1 2
Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o
placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico
que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el
vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada
carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de
carga total.
Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni
corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un
circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía
eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después
durante el periodo de descarga.
Tipos de Condensadores
Condensador de acoplamiento. Nombre que se le da en electrónica al
condensador utilizado para enlazar entre sí dos circuitos.
Condensador de aire. Es un condensador que utiliza como dieléctrico el aire, se
utiliza principalmente en los condensadores variables de sintonía en los aparatos
de radio.
Condensador de bloqueo. Se utiliza este nombre cuando el condensador tiene la
misión de impedir que por ciertas partes del circuito pase una corriente continua
sin impedir por ello que circule una corriente oscilante.
Condensador de cátodo. Condensador que se coloca en el cátodo de las lámparas,
en paralelo con una resistencia. Los condensadores de cátodo suelen ser de alta
capacidad y oscilan de 50.000 a 250.000 cm para lámparas de Alta Frecuencia y
para las de Baja Frecuencia deben colocarse de unos 25 microfaradios, siendo
suficiente que tengan una tensión de trabajo de 30 a 40 voltios.
Condensador de filtro. Condensador que se coloca después de una lámpara
rectificadora para conseguir que la corriente continua pulsante que sale de ella se
convierta en una corriente continua uniforme. El valor de estos condensadores
suele ser de 8 microfaradios hasta 50.
Condensador de mica. Nombre que se le da a los condensadores que llevan como
dieléctrico mica.
Condensador de papel. Condensadores que como dieléctrico utilizan papel
aislante y cuyas armaduras están formadas por tiras metálicas y que enrollan sobre
sí mismos.
Condensador de paso. Condensador colocado en un circuito de Alta o Baja
Frecuencia para conseguir que las oscilaciones de la lámpara anterior pasen a la
rejilla de la posterior sin permitir el paso de la alta tensión existente en la placa de
la lámpara.
Condensador electrolítico. Condensador en que el dieléctrico está formado por
una delgada película de óxido de aluminio producida electrolíticamente. Los hay
líquidos que la lámina de aluminio está sumergida en una solución de las
sustancias químicas y los hay secos formados por láminas de aluminio envueltas en
tela o papel impregnado de la solución correspondiente; el conjunto está
encerrado en una caja metálica, el cuerpo de dicha caja corresponde al negativo y
el electrodo aislado al positivo.
Condensador fijo. Condensador cuya capacidad es constante, no disponiendo de
un medio mecánico para hacerle variar.
Condensador variable. Es un condensador cuya capacidad puede variarse a
voluntad por medio de un dispositivo mecánico. Generalmente están constituidos
por dos grupos de láminas, unas fijas y otras móviles; éstas están unidas a un eje
de modo que haciéndolo girar se desplazan a través de las fijas, variando de este
modo la capacidad. Los hay con dieléctrico de aire y con dieléctrico de material
aislante. Los condensadores variables pueden ser sencillos o múltiples según las
necesidades del aparato en que vayan destinados; cuando están unidos entre sí, se
denominan múltiples, pero son más conocidos por el nombre de Tandems.
Características técnicas generales
Capacidad nominal.- Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de
fabricación. Se marca en el cuerpo del componente mediante un código de colores
o directamente con su valor numérico.
Tolerancia.- Diferencia entre las desviaciones, de capacidad, superior o inferior
según el fabricante.
Tensión nominal.- Es la tensión que el condensador puede soportar de una manera
continua sin sufrir deterioro.
Funcionamiento
La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de
potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la
llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en
Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus
armaduras a unad.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.
La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los
condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6,
nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir
de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para
conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así
se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos
condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de
faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de
automóviles eléctricos.
El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:
en donde:
: Capacitancia o capacidad
: Carga eléctrica almacenada en la placa 1.
: Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.
Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga
de la placa positiva o la de la negativa, ya que
Aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.
En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como
la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores
formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales
cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio
de la electrólisis.
Energía almacenada:
Cuando aumenta la diferencia de potencial entre sus terminales, el condensador
almacena carga eléctrica debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior;
cuando esta disminuye, el condensador devuelve dicha carga al circuito.
Matemáticamente se puede obtener que la energía , almacenada por un condensador
con capacidad , que es conectado a una diferencia de potencial , viene dada
por:
Fórmula para cualesquiera valores de tensión inicial y tensión
final:
Donde es la carga inicial. es la carga final. es la tensión inicial. es la tensión
final.
Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se
aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de
los transistores MOS para ahorrar componentes.
Carga y descarga
Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el
mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el
condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si
se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza
a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la
carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al
que circulaba mientras el condensador se estaba cargando.
Carga:
Descarga
Donde:
V(t) es la tensión en el condensador.
Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del
condensador.
Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen estacionario
t>=4RC) entre las placas del condensador.
I(t) la intensidad de corriente que circula por el circuito.
RC es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia
del circuito en Ohmios, llamada constante de tiempo.
En corriente alterna:
En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la electricidad que
recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del
producto de la pulsación ( ) por la capacidad, C:
Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad
en faradios (F), la reactancia resultará en ohmios.
De acuerdo con la ley de Ohm, la corriente alterna que circule por el condensador
se adelantará 90º ( ) respecto a la tensión aplicada.
Asociaciones de condensadores[editar]
Asociación serie general.
Asociación paralelo general.
Los condensadores pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos
casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie:
y para la asociación en paralelo:
Es decir, el sumatorio de todas las capacidades de los condensadores conectados
en paralelo.
Es fácil demostrar estas dos expresiones, para la primera solo hay que tener en
cuenta que la carga almacenada en las placas es la misma en ambos condensadores (se
tiene que inducir la misma cantidad de carga entre las placas y por tanto cambia la
diferencia de potencial para mantener la capacitancia de cada uno), y por otro lado en la
asociación en "paralelo", se tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas tiene
que ser la misma (debido al modo en el que están conectados), así que cambiará la
cantidad de carga. Como esta se encuentra en el numerador ( ) la suma de
capacidades será simplemente la suma algebraica.
También vale recordar que el cálculo de la capacidad equivalente en paralelo es
similar al cálculo de la resistencia de dos dispositivos en serie, y la capacidad o
capacitancia en serie se calcula de forma similar a la resistencia en paralelo.
Condensadores variables:
Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su
capacidad. En el caso de un condensador plano, la capacidad puede expresarse por la
siguiente ecuación:
donde:
es la permisividad del vacío ≈ 8,854187817... × 10−12 F·m−1
es la constante dieléctrica o permisividad relativa del material dieléctrico entre
las placas;
A es el área efectiva de las placas;
y d es la distancia entre las placas o espesor del dieléctrico.
Para tener condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres
últimas expresiones cambie de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el
que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese
desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.
Otro tipo de condensador variable se presenta en los diodos Varicap.
Simbología de los condensadores
Símbolo general del condensador o
capacitor no polarizado
Se utiliza también como símbolo general
del capacitor no polarizado
Capacitor electrolítico polarizado
Capacitor electrolítico polarizado
Capacitor electrolítico polarizado
Capacitor electrolítico doble, polarizado
Capacitor con armadura anclada a masa o tierra
Símbolo general del capacitor variable
Capacitor variable de armadura doble
Capacitor ajustable (trimmer)
Capacitor pasante
Capacitor sensible a variaciones de tensión (polarizado)
Capacitor sensible a la temperatura (polarizado)
Capacitor variable en tándem
Algunos usos de los Condensadores:
Los condensadores suelen usarse para:
Baterías, por su cualidad de almacenar energía.
Memorias, por la misma cualidad.
Filtros.
Fuentes de alimentación.
Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros
componentes.
Demodular AM, junto con un diodo.
Osciladores de todos los tipos.
El flash de las cámaras fotográficas.
Tubos fluorescentes.
Compensación del factor de potencia.
Arranque de motores monofásicos de fase partida.
Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.
Código de Colores
Aplicaciones de los Condensadores en la Ingeniería
Dentro los usos más destacados son en la Ingeniería Eléctrica:
-En los sistemas de transferencia de energía: Una aplicación estudiada
ampliamente en la actualidad es el uso de supercondensadores en sistemas UPS unido a
sistemas de transferencia de energía acoplados por inducción (ICPT). Se utilizan para
facilitar la transferencia de energía, hacer más eficiente la carga de energía eléctrica,
permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas
eléctricos.
-En la ayuda energética: Muchos proyectos en ingeniería, como el diseño de
elevadores, requieren de ciclos donde en una etapa se requiera una baja descarga de
energía y otros de una alta descarga (como cuando el elevador desciende y asciende). Esta
demanda requiere de sistemas que permitan una regulación precisa de la energía
suministrada y una alta capacidad de almacenamiento de energía. De esta manera los
supercondensadores suministran la energía necesaria para subir el elevador sin necesidad
de sobrecargarla red eléctrica.
-Almacenamiento de energía: Uno de los usos más extendidos de
supercondensadores es su uso en sistemas microelectrónicos, memorias de computadoras
y relojes y cámaras de alta precisión. Su uso permite mantener el funcionamiento de los
dispositivos durante horas e incluso días.
Bobinas
Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito eléctrico
que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo
magnético.
Características
-Permeabilidad magnética (m): Es una característica que tiene gran influencia
sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los
materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos
valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a
los campos magnéticos.
-El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos
se llama permeabilidad magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia
también lo es.
Funcionamiento de una bobina
Sea una bobina o solenoide de longitud l, sección S y de un número de espiras N,
por el que circula una corriente eléctrica i(t).
Aplicando la Ley de Biot-Savart que relaciona la inducción magnética, B(t), con la
causa que la produce, es decir, la corriente i(t) que circula por el solenoide, se obtiene que
el flujo magnético Φ(t) que abarca es igual a:
Si el flujo magnético es variable en el tiempo, se genera en cada espira, según
la Ley de Faraday, una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinducción que, según la Ley de
Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la variación de la corriente
eléctrica que genera dicho flujo magnético. Por esta razón suele llamarse fuerza
contraelectromotriz. Ésta tiene el valor:
A la expresión se le denomina Coeficiente de autoinducción, L, el cuál
relaciona la variación de corriente con la f.e.m. inducida y, como se puede ver, depende
de la geometría de la bobina y del núcleo en la que está devanada. Se mide en Henrios.
Energía almacenada:
La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando
aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye.
Matemáticamente se puede demostrar (Fig. 5.3.6) que la energía , almacenada por una
bobina con inductancia , que es recorrida por una corriente de intensidad , viene dada
por:
En circuitos:
Circuito con inductancia.
De la formulación física de la bobina se ha extraído la expresión:
Suponiendo una bobina ideal, (figura 1), sin pérdidas de carga, aplicando la
segunda Ley de Kirchhoff, se tiene que:
Es decir, en toda bobina eléctrica dentro de un circuito se produce en ella una
caída de tensión:
Despejando la intensidad:
Si en el instante t = 0, la bobina está cargada con una corriente I, ésta se puede
sustituir por una bobina descargada y una fuente de intensidad de valor i(0) = I en
paralelo.
La corriente por la bobina y por tanto el flujo no pueden variar bruscamente ya que
si no la tensión debería hacerse infinita. Por eso al abrir un circuito en donde se
halle conectada una bobina, siempre saltará un arco de corriente entre los bornes del
interruptor que da salida a la corriente que descarga la bobina.
Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia interna en serie, la
tensión aplicada es igual a la suma de la caída de tensión sobre la resistencia interna más
la fuerza contra-electromotriz autoinducida.
En corriente alterna:
En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente
eléctrica que recibe el nombre de reactancia inductiva, , cuyo valor viene dado por el
producto de la pulsación ( ) por la inductancia, L:
Si la pulsación está en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia en henrios (H)
la reactancia resultará en ohmios.
De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna que se verá retrasada
90º ( ) respecto a la tensión aplicada.
Asociaciones comunes:
Asociación serie general.
Asociación paralelo general.
Al igual que las resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie (figura 2),
paralelo o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento
magnético, la inductancia equivalente para la asociación en serie vendrá dada por:
Para la asociación en paralelo tenemos:
Para la asociación mixta se procederá de forma análoga que con las resistencias.
Si se requiere una mayor comprensión del comportamiento reactivo de un
inductor, es conveniente entonces analizar detalladamente la "Ley de Lenz" y comprobar
de esta forma cómo se origina una reactancia de tipo inductiva, la cual nace debido a una
oposición que le presenta el inductor o bobina a la variación de flujo magnético.
Tipos de bobinas
-FIJAS
Con núcleo de aire
El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este
quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas.
Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de
las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se
utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias,
en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo
soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas.
Con núcleo sólido
Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel
elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético.
Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables
y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los
transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las
configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener
forma de EI, M, UI y L.
Bobina de
ferrita
Bobina de ferrita de nido de
abeja
Bobinas de ferrita
para SMD
Bobinas con
núcleo toroidal
Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos
de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen
altos valores inductivos en un volumen mínimo.
Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se
dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado,
dotándolas de un gran rendimiento y precisión.
Las bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos,
con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista práctico ya que,
permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.
Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un circuito impreso tienen la ventaja de su
mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo.
-VARIABLES:
También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia
se produce por desplazamiento del núcleo.
Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina
dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo
electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los
componentes cercanos a la misma.
Usos de las Bobinas
En las fuentes de alimentación para filtrar componentes de corriente
alterna y obtener corriente continua en la salida.
Inductores y capacitores en circuitos de audio para filtrar o ampliar
frecuencias específicas.
Como filtros de línea telefónica.
Electroimanes en corriente directa.
Como Rele / Contactór.
Como Interruptor Diferencial.
Como Transformador eléctrico.
Bobina de ignición.
Aplicaciones de las Bobinas en la Ingeniería
-Ingeniería Eléctrica. Transformadores eléctricos:
Lo forman dos bobinas que comparten circuito magnético. Al aplicar tensión
eléctrica alterna a la primera bobina por ella circulará una corriente que generará un
campo magnético que a su vez generará otra tensión en la segunda bobina. Variando la
relación del número de vueltas de hilo de las dos bobinas se consigue que la tensión en la
segunda bobina sea una fracción de la tensión de la primera.
Ingeniería Mecánica.
- Freno eléctrico:
En su construcción, se emplean unas bobinas que se instalan entre dos discos
solidarios con el eje de la transmisión del vehículo, Estas bobinas crean un campo
magnético fijo, y es el movimiento de los rotores, lo que produce la variación de
velocidad, ya que a mayor velocidad de giro, mayor es la fuerza de frenado generada por
el campo electromagnético que atraviesa los discos rotores. Utilizado en camiones,
autobuses, o trenes.
Ingeniería Mecánica.
-Sensor inductivo:
Una bobina detecta el paso de un elemento ferromagnético por sus proximidades
generando una tensión eléctrica en sus extremos. Muy usados en automóvil y todo tipo de
maquinaria ya que al no tener partes móviles nos sufren desgaste.
-Bobina de ignición:
Formado por dos bobinas, su función es muy similar al de un transformador. Es el
elemento encargado de generar la alta tensión, con la cual se va a alimentar a la bujía en
motores de combustión.
Bibliografía
http://www.av.anz.udo.edu.ve/file.php/1/ElecMag/capitulo%20V/el%20condensa
dor.html
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/dielectrico/diele
ctrico.htm
http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Las-bobinas.php
http://www.viasatelital.com/proyectos_electronicos/bobina.htm