UNIVERSIDAD FERMIN TORO

VICE RECTORADO ACADEMICO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE TELECOMUNICACIONES

Participante:

Kent González

Asignatura: Circuito 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.