CONDENSADORES. Ing. Raúl Rojas Reátegui

CONDENSADORES



El estudiante podrá identificar los condensadores.



El estudiante podrá describir las principales características de los

condensadores.



El estudiante podrá demostrar el estado de los condensadores, con

el Capacimetro u Ohmímetro.

 Científico británico, nació en Newington en 1791 y murió en Londres en 1867.

 Nació en el seno de una familia humilde a temprana edad tuvo que empezar a trabajar, primero como repartidor de periódicos y a los catorce años en una librería, donde tuvo la oportunidad de leer algunos artículos científicos que lo impulsaron a realizar sus primeros experimentos.

 Trabajo como asistente de laboratorio quimico de Sir Humphry Davy en la Royal Institution, donde pronto se destacó descubriendo el benceno y las primeras reacciones de sustitución orgánica conocidas, en las que obtuvo compuestos clorados de cadena carbonada a partir de etileno.

 El científico danés Hans Christian Oersted descubrió los campos magnéticos generados por corrientes eléctricas. Basándose en estos experimentos, Faraday logró desarrollar el primer motor eléctrico conocido.

 En 1831 colaboró con Charles Wheatstone e investigó sobre fenómenos de inducción electromagnética. Observó que un imán en movimiento a través de una bobina induce en ella una corriente eléctrica, lo cual le permitió describir matemáticamente la ley que rige la producción de electricidad por un imán.

Se denomina condensador o capacitor al componente electrónico diseñado para almacenar cargas sin que su voltaje se eleve demasiado.

La unidad de medida utilizado en este componente es el Faradio (F), si posee valores

pequeños se acompaña de los prefijos pico (p) o nano () o micro (µ).

Definición

CONCEPTOS PREVIOS

Materiales dieléctricos

Material no conductor (aislante), cuyas funciones principales son:

 Aumentar la capacidad del condensador

 Permite reducir la distancia entre las placas sin que estas hagan contacto (se reduce aumenta C)

 Permite aumentar el voltaje entre las placas, sin que el material se ionice permitiendo la conducción de cargas a través de él

Constante dieléctrica (K)

La constante dieléctrica K para un material es la razón de la capacitancia C con este material a la capacitancia C_o en el vacío.

Constante dieléctrica:

K = 1 para el aire

0

C

K

C



K también se puede dar en términos de voltaje V, intensidad de campo eléctrico E

o permitividad

e

: 0 0 0

V

E

K

V

E

e

e







Permitividad de un medio (

e

)

La capacitancia de un capacitor de placas paralelas con un dieléctrico se puede encontrar de: 0

or

0

or

A

A

C

KC

C

K

C

d

d

e

e







La constante e es la permitividad del medio que relaciona la densidad de las líneas de campo. 2 2

-12

_C

0

;

0

8.85 x 10

_Nm

K

e



e

e



Almacenamiento de Energía

Un capacitor de placas paralelas no cargado tiene una diferencia de potencial igual a cero entre sus placas.

En un capacitor completamente cargado, la diferencia de potencial entre sus placas es V = Q/C.

La carga total Q no es colocada en el capacitor instantáneamente. Mientras mas carga tengan las placas más trabajo será necesario para transferir la carga de una placa a otra. dq + + + + + + + 1 q -2 -q ∆V

Durante el proceso de carga, la carga positiva se transfiere del conductor cargado negativamente al conductor cargado positivamente.

+ +

El trabajo requerido para mover dq a la placa cargada positivamente (a un potencial alto) es:

El trabajo necesario es el

área bajo la curva

El trabajo para cargar el capacitor

a una carga final q = Q es:

Q q V dq q V C 

q

dW

Vdq

dq

C

 



2 0

2

Q

q

Q

W

dq

C

C







El trabajo realizado durante la carga del capacitor puede ser considerado como la

energía potencial U almacenada en el capacitor.

Pero sabemos que:

Entonces:

Q

C

V





2 0

2

Q

q

Q

W

dq

C

C







2

2

Q

U

C



2 2

1

1

(

)

2

2

2

Q

U

Q V

C

V

C





 



Para un capacitor de placas paralelas la diferencia de potencial esta relacionada con al campo a través de estas V = Ed, y C = e₀A/d.

El volumen ocupado por el campo eléctrico (solo entre las placas no es cero) es V = Ad.

 Definimos la energía por unidad de volumen en el campo eléctrico, u_E = U/V, llamada densidad de energía como:

Este es un resultado general

para cualquier campo eléctrico

en el espacio!!

2 ₀ 2 2 0

1

1

1

(

)

(

)

(

)

2

2

2

A

U

C

V

Ed

Ad E

d

e

_e









2 0

1

2

E

u



e

E

dq + + + + + + + 1 q -2 -q ∆V + + A

Condensador cilíndrico:

Se compone de un alambre de radio a y una corteza cilíndrica de radio b concéntrica con el alambre.









b

a

E

d

r

V





Siendo E el campo eléctrico en la zona entre los dos conductores. Podemos calcular esta campo eléctrico aplicando el Teorema de Gauss. o

q

s

d

E

e











int o

q

rL

E

e





int

2

rL

q

E

o

e



2













b a b a

E

d

r

E

dr

V





a

b

L

q

r

dr

L

q

V

o b a o

ln

2

2

e



e





)

/

ln(

2

a

b

L

V

q

C





e

o

Cuanto mayor es la longitud del

cilindro más carga es capaz de acumular + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - -E a b

Condensador esférico:

Se compone de una esfera conductora interior de radio R1 y una corteza esférica concéntrica de radio R2.

Si suponemos que la esfera interior tiene carga negativa y la corteza está cargada positivamente, el campo eléctrico entre ambas, a una distancia r, será el de una carga puntual colocada en el centro.







       2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 2 R R R R R R R R R R kq dr r q k dr E r d E V   1 2 2 1 1 2 2 1

4

)

(

R

R

R

R

R

R

k

R

R

C

o



e







Si

R

2





Se define la capacidad de un condensador esférico aislado como

R

C



4

e

_o -q +q R₁ R2

Capacitancia y formas

La densidad de carga sobre una superficie se afecta significativamente por la curvatura. La densidad de carga es mayor donde la curvatura es mayor.

+ + + + + + + + + + + + + + + ++ ++ + + + + + + + + + +

La fuga (llamada descarga corona) ocurre con frecuencia en puntos agudos donde la curvatura r es más grande.

2 m m

kQ

E

r



DENSIDAD DE ENEGIA

Se define como la cantidad de energía por unidad de volumen.

Para un condensador de placas

planas paralelas

y

V

E

d

d

A

C



e

o



)

(

2

1

2

1

2

1

_{2 2 2 2}

Ad

E

d

E

d

A

CV

U





e

o



e

_{o Volumen ocupado por}

el campo eléctrico 2

2

1

E

o e

e





Si en un punto del espacio (en vacío) existe un campo eléctrico, puede pensarse que también hay almacenada una cantidad de energía por unidad de volumen igual a esta expresión

EFECTOS DC Y AC EN EL CONDNENSADOR

Condensadores en corriente alterna

 Cuando un condensador se le aplica una tensión alterna, debido a la frecuencia se producirá una disminución de la capacidad.

 Por lo tanto, en un condensador la capacidad disminuye cuando la frecuencia aumenta.

 En corriente alterna el condensador se comporta como un circuito cerrado.

Circulación de corriente alterna a través de un condensador. A) Carga en el semiciclo positivo B) Carga en el semiciclo negativo. Esta corriente alterna producirá un desfase entre esta y la tensión aplicada.

Condensadores en voltaje continua

Al aplicar un voltaje continua entre las dos armaduras del condensador, se produce un efecto de acumulación de cargas eléctricas en las armaduras, no existirá ningún paso de corriente debido al dieléctrico y se comporta como un circuito abierto en continua.

• Si se elimina la tensión que se le aplica, esta acumulación de carga se mantiene debido a la fuerza de atracción eléctrica entre las armaduras cargadas.

• Si se juntan o cortocircuita exteriormente se producirá una corriente y se descargará el condensador, quedando en las condiciones iniciales.

Proceso de carga y descarga de un condensador

• Consta de una fuente de alimentación en corriente continua V.

• En serie con el condensador C se ha incluido una resistencia de carga R, con objeto de hacer más largo tanto el proceso de carga como el de descarga.

• Un conmutador para la carga del condensador, posición A, y la descarga posición B.

+

V

C

R

A

B

Conmutador Carga/descarga

Constante de tiempo de carga y descarga de un condensador

 La constante de tiempo se designa por la letra griega  (Tau) cuyo valor se da en segundos.

  no es más que el tiempo que tarda el

condensador en adquirir el 63,2 % de su carga

total (durante el proceso de carga).

 Se considera que para que un condensador se encuentre totalmente cargado o descargado, el tiempo necesario será de 5 veces la constante de tiempo, Tiempo carga/descarga = 5



= R . C

R = Valor de la Resistencia (Ω) C = Capacidad del condensador (F) t = Constante de Tiempo en segundos (s) Tiempo de carga y descarga total = 5

CLASIFICACIÓN DE LAS RESISTENCIAS

1. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU VALOR:

Según este criterio de clasificación los condensadores o capacitores se

denominan:

1.1. Condensadores Variables:

Son aquellas cuyo valor varia por

influencia de algún agente externo como por ejemplo el movimiento

mecánico.

1.2. Condensadores Fijos:

Son aquellas cuyos valores permanecen

constante a pesar de la influencia de agentes externos.

2. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO:

Según este criterio de clasificación los condensadores o capacitores se denominan:

2.1. Condensadores de baja capacidad: Son aquellas cuyas capacidades se expresan en picos o nano Faradios. Son condensadores de tamaño pequeño generalmente.

2.2. Condensadores de gran capacidad: Son aquellas cuyas capacidades se expresa en micro Faradios. Son condensadores de tamaño mediano generalmente.

3. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU FORMA DE CONEXIÓN A LA PLACA IMPRESA:

Según este criterio de clasificación los condensadores o capacitores se denominan:

3.1. Condensadores de agujero pasante: Son aquellas cuya conexión a la placa impresa necesita un agujero y la fijación eléctrica con la soldadura se realiza debajo de la resistencia

2.2. Condensadores montada en superficie: Son aquellas cuya conexión a la

placa y la fijación eléctrica con la soldadura se realiza en el mismo lado de la resistencia

4. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU FORMA DE ENCAPSULADO:

Según este criterio de clasificación los condensadores o capacitores se denominan:

4.1. Pack de Capacitivo: También denominadas resistencias integradas, tienen diferentes tipos de encapsulados siendo los mas utilizados DIP, SIP

4.2. Condensador tipo disco: Son aquellas encapsulado tiene forma de disco, generalmente utilizado en termistores y varistores.

4.3. Condensador SMT: Utilizados en componentes SMD (resistencias, condensadores diodos, etc.)

4.4. Condensador cilíndrico: Son aquellas resistencias cuyos pines atraviesan el circuito impreso.

DISCO

5. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL MATERIAL DIELÉCTRICO UTILIZADO:

5.1. CONDENSADOR ELECTROLÍTICOS.

 Utiliza como material dieléctrico el líquido iónico conductor.

 Posee dos presentaciones tipo cilindro y tipo axial.

 Son los condensadores de mayor capacidad de almacenamiento. Su capacidad de expresa en micro faradios ( µF)

 Trabajan bien en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia.

 Poseen polaridad es decir el fabricante ha establecido un pin de polaridad positiva y negativa.

 Posee un código de marca, donde se establece la capacidad y voltaje de ruptura.

5.2. CONDENSADOR DE ESTADO SOLIDO

 Utiliza como material el polímero orgánico solido, cubierto por una carcasa de aluminio laminado y sellados herméticamente.

 Posee dos presentaciones tipo cilindro y axial .

 Son los condensadores de mayor capacidad de almacenamiento. Su capacidad de expresa en micro faradios ( µF)

 Son resistentes a las variaciones de voltaje y altas temperaturas.

5.3 ELECTROLÍTICOS DE TÁNTALO O DE GOTA

 Utiliza como dieléctrico una finísima película de óxido de tantalio amorfo, que con un menor espesor tiene un poder aislante mucho mayor.

 Tienen polaridad.

 Su capacidad es superior a 1 µF.

5.4. POLIÉSTER METALIZADO

MKT

 Suelen tener capacidades inferiores a 1 µF.

 Los voltajes de ruptura a partir de 63V.

 Su estructura es de dos láminas de policarbonato recubierto por un depósito metálico que se bobinan juntas.

5.5. POLIÉSTER

.

 Este tipo de condensadores se presentan en forma plana y llevan sus datos impresos en forma de bandas de color, recibiendo comúnmente el nombre de condensadores "de bandera".

5.5. CERÁMICO "DE LENTEJA" O "DE DISCO"

.

 Utilizan la cerámica o siendo el material más utilizado el dióxido de titanio como material dieléctrico.

 Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF.

CODIFICACIÓN MEDIANTE LETRAS

 Este es otro sistema de inscripción del valor de los condensadores sobre su cuerpo.

 Esta conformado por tres o dos numero y una letra.

 Las dos primeros numero indican las dos primeras cifras y el tercer numero el numero de ceros o el factor de potencia 10.

CODIFICACIÓN MEDIANTE BANDAS DE COLORES

 Este es otro sistema se imprime bandas de colores sobre el encapsulado del condensadores.

 Esta conformado por cinco banda de colores: las tres primeras indican el valor nominal de la capacidad, la cuarta el coeficiente de temperatura y el quinto la tolerancia.

 Las dos primeras bandas de color indican las dos primeras cifras y el tercera banda el numero de ceros o el factor de potencia 10.