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CURSO TALLER ACTIVIDAD 13 CAPACITANCIA ELÉCTRICA CONDENSADORES POLARIZADOS Y NO POLARIZADOS Un condesador permite almacenar energía en forma de campo eléctrico. El principio de funcionamiento se explica a partir del circuito que se muestra en la figura 1: cuando se cierra el interruptor, los electrones circulan libremente hasta el terminal B, haciéndolo negativo, y desde el terminal A dejándolo positivo. Esta corriente dura una fracción de segundo hasta que A y B tienen el mismo potencial que los terminales (+) y (-) de la pila, respectivamente. Por lo tanto, A se vuelve 1,5 V más positivo que B. Así, la pila ha suministrado energía la cual se conserva. Figura 1. Condensador ideal. Entonces, una carga eléctrica ha sido almacenada en A y B, un campo eléctrico se ha establecido y la energía ha sido almacenada en este campo, literalmente entre el espacio A y B. Los conductores A y B y el material aislador o espacio vacío entre ellos (aire), constituyen un condensador. Es evidente que más carga puede ser almacenada en A y B si se aumenta el potencial de la pila, si el área de los conductores se hace más grande, si la separación entre A y B se reduce o si el espacio o vacío es reemplazado por un buen aislador. Figura 2. Condensador de placas paralelas separadas por aire Esta aptitud de acumular carga se llama CAPACITANCIA y se mide en FARADIOS: Q = C .V C = 1Q 1V [=] 1 FARADIO Esta ecuación dice que la carga acumulada es proporcional al voltaje aplicado. Un faradio es una cantidad muy grande, entonces para especificar los valores de los condensadores se usan los submúltiplos que se muestran en la tabla 1. Tabla 1. Sub-múltiplos para especificar los valores de los condensadores en faradios Microfaradios (uF) 1x10-6 F Nanofaradios (nF) 1x10-9 F Picofaradios (pF) 1x10-12 F En la práctica dos placas conductoras de área A, separadas una distancia d por un aislador (dieléctrico) como se muestra en la figura 3, se utilizan para implementar los condensadores. Figura 3. Condensador de placas paralelas separadas por un dieléctrico. Por lo tanto, la capacitancia es directamente proporcional al área A e inversamente proporcional a la distancia d entre las placas conductoras: C = A d donde es la permitividad del dieléctrico y depende de cada material. Las unidades de la permitividad son FARADIOS [=] UNIDAD DE LONGITUD La permitividad de cada material, se especifica en términos de la permitividad del vacío o = K . o 2 K se denomina la constante del dieléctrico o rigidez dieléctrica y se especifica en unidades de VOLT IOS K [=] cms La permitividad del vacío o, tiene un valor de: o = 8.85 x 10 -12 FARADIO m de donde: K = C = o K o A d K lo especifica el fabricante. El valor de K para algunos materiales, se muestran en la tabla 2: Tabla 2. Valor de K para algunos materiales. Material Vacío Aire Teflón Polipropileno Poliestireno Policarbonato Nylon Material 1 Poliéster/mylar 1.0006 Papel 2.0 Vidrio 2.1 Mica 2.5 Cerámica 2.9 Óxido de aluminio 3 Oxido de tántalo K K 3.2 4-6 4 – 8.5 6.5 – 8.7 6 - 25 7 11 En general, si se aplica un voltaje entre los bornes de un condensador, se produce una corriente que se puede cuantificar con la ecuación: dv C t vC C IC =C. dt t Si se quisiera conseguir cambios instantáneos de voltajes en un condensador, como se muestra en la figura 4, se requieren corrientes infinitas, ya que IC =C vC t vC t 0 Entonces, la propiedad fundamental de un condensador es opornese a los cambios bruscos de voltajes y para esto el condensador se carga con un voltaje. De esta misma ecuación se nota claramente que para que circule corriente por un condensador, en sus terminales se debe aplicar un voltaje variable. 3 Como las placas están separadas por un aislante, realmente a través de las placas no circula corriente. Las cargas se mueven hasta las placas pero no circulan a través del dieléctrico. Cuando circule corriente a través del dieléctrico es porque el condensador se dañó quedando en corto las placas y el condensador debe ser cambiado. Figura 4. No se pueden cambios instantáneos del voltaje en un condensador Al igual que las resisitencias, los condensadores son uno de los elementos más usados en circuitos eléctricos y electrónicos. Los condensadores pueden ser polarizados o no polarizados. En la figura 5 se muestran los símbolos para representar a ambos tipos de condensadores. El símbolo de los condensadores polarizados se distingue porque se incluye un signo + o un signo menos en uno de los terminales del condensador como se indica en la figura 5. Figura 5. Simbolos de condensadores no polarizados y polarizados CAPACITOR CONECTADO A FUENTE DE C.D. Cuando el condensador se carga al valor de la fuente, actúa como una segunda fuente de voltaje en paralelo y con polaridad opuesta, y no hay circulación de corriente. Por lo tanto para C.D, un condensador cargado se comporta como un circuito abierto como se muestra en la figura 6. Además si el voltaje aplicado al condensador es constante, la corriente que circularía por el sería cero (0). Figura 6. Un condensador cargado se comporta como un circuito abierto 4 Considere el circuito de la figura anterior, y suponga que el interruptor se cierra en el instante t 0 , en la figura 7 se muestra la forma como cambia el voltaje y la corriente en el condensador, ambas varían de forma exponencial. Nótese que sólo hay corriente mientras el voltaje en el condensador esté cambiando. Figura 7. Variación del voltaje y la corriente en un condensador RESISTENCIA DE C.D DE UN CAPACITOR. Realmente se medirá una resistencia infinita, por que a medida que el capacitor se carga actúa como un circuito abierto. CAPACITOR CONECTADO A FUENTE DE A.C. En un circuito con condensador conectado a una fuente de corriente alterna, se presenta un desfase entre el voltaje y la corriente en el condensador, como se muestra en la figura 8. Figura 8. Desfase entre el voltaje y la corriente en un condensador 5 Un condensador conectado a corriente alterna, su voltaje está cambiando de polaridad por lo tanto no se deben conectar condensadores polarizados a corriente alterna. En este caso se debe usar un condensador no polarizado. RESISTENCIA APARENTE DE C.A. DE UN CAPACITOR. La resistencia aparente de C.A. de un capacitor es menor que su resistencia de C.D. Esta resistencia aparente a la C.A. recibe el nombre de REACTANCIA CAPACITIVA y se define como: Xc = 1 2 fC [ = ] OHMIOS ( ) La reactancia capacitiva se mide en ohmios y representa una resistencia que cambia con la frecuencia. Si la frecuencia es muy baja f 0 entonces X C y el condensador se comporta como un circuito abierto como en C.D. Si la frecuencia es muy alta entonces X C 0 y el condensador se comporta como un corto f A partir de la reactancia capacitiva, se explica el funcionamiento de circuitos como filtros pasabajos y pasa-altos que incluyen condensadores. Suponga un circuito con una fuente de alterna a la cual se le puede variair la frecuencia, como se muestra en la figura 9. Este circuito es un filtro pasabajos en el cual a la salida sólo aparecen las señales de baja frecuencia. Figura 9. Filtro pasabajos En la figura 10 se muestra el circuito pasa-altos en el cual a la salida sólo aparecen las señales de alta frecuencia. Figura 10. Filtro pasa-altos 6 Un capacitor real no puede retener la carga indefinidamente. Incluso el aire puede conducir alguna corriente, de modo, que la carga lentamente se va perdiendo. Esta es una forma de dispersión o CORRIENTE DE FUGA. También habrá cierta corriente de fuga a través del dieléctrico aislante. Entre menor sea la IFUGA interna, mejor es el capacitor. En el mercado se consiguen condesadores polarizados que se emplean únicamente en D.C y condensadores no polarizados que se usan tanto en A.C como en D.C. DIFERENTES TIPOS DE CONDENSADORES. Generalmente los capacitores se clasifican por su material dieléctrico. Los tipos más comunes se discuten a continuación: 1. CONDENSADORES FIJOS. La capacidad de estos condensadores depende del tipo de dieléctrico empleado. Para cada tipo de aplicación se emplea un tipo de material diferente. CAPACITOR DE PAPEL. Los condensadores de papel se forman arrollando dos láminas metálicas, generalmente de aluminio, entre las que se coloca una hoja de papel que actúa como dieléctrico como se muestra en la figura 11. En muchas ocasiones resulta insuficiente el espesor de un papel y se superponen varias hojas. Este montaje se encierra en un tubo de cartulina o envase de plástico para protegerlo de la humedad. Otra forma de construir condensadores con dieléctrico de papel consiste en metalizar el papel por ambas caras con una película muy fina, lo que da lugar a un tamaño físicamente más pequeño. Figura 11. Condensador de papel Últimamente el papel está siendo sustituido por materiales plásticos de gran poder aislante como el poliestireno, poliéster, policarbonato, etc. 7 Intervalo de valores: 0.0001 uF - 1 uF, con voltajes de trabajo que van desde 200 hasta 5.000 voltios. Son relativamente económicos, tienen elevadas corrientes de fuga y presentan problemas de operación a frecuencias elevadas. Constituyen una excelente elección si se requiere muy elevada capacitancia en circuitos de baja o media frecuencia de operación sin mucho espacio disponible. Los capacitores de papel tienen sus valores impresos directamente en su encapsulado, pero algunas veces están codificados a colores. A veces se usa papel impregnado en aceite como elemento de seguridad, para evitar que salte el arco eléctrico entre puntos de alta tensión con diferente polaridad, en condensadores que deben trabajar con tensiones elevadas. El aceite contribuye a la estabilidad de la capacitancia y aísla del ambiente todo el conjunto. CAPACITOR DE POLIÉSTER (MATERIAL PLÁSTICO SINTÉTICO). En la figura 12 se muestran condensadores de poliéster. Estos condensadores poseen mayor resistencia mecánica que los condensadores de papel y soportan un amplio margen de temperatura. La principal ventaja de este tipo de condensador es que la película que forma el dieléctrico carece de poros, las láminas son mucho más perfectas y de espesor más reducido, lo que proporciona bajas corrientes de fuga. Figura 12. Condensador de poliéster La capacitancia aumenta ligeramente cuando lo hace la temperatura, teniendo en cuenta que pueden soportar valores elevados de esta. Su capacidad tiende a disminuir cuando aumenta la frecuencia. Esta variación puede ser del orden del 3% a una frecuencia de 100 KHz. A partir de esta frecuencia el porcentaje de disminución aumenta mucho y se recomienda no utilizarlos a partir de algunos MHz. Se tienen capacidades comprendidas entre 2pF y 10uF, con voltajes de trabajo entre 250 y 1.000 voltios. El valor del condensador se imprime directamente en el cuerpo del condensador o por bandas de color. 8 CONDENSADORES DE POLIESTIRENO. Más conocidos por la designación de los fabricantes como styroflex. Tienen una tensión de trabajo comprendida entre 30 y 600 VOLTIOS. Su tamaño depende en gran medida de la tensión para que van destinados y pueden ser costosos comparados con los condensadores tipo papel o cerámicos. La tolerancia puede tomar valores muy bajos ya que el margen de la misma está entre 0.25 y 20%. Son indispensables en aplicaciones de extrema fiabilidad, de lo contrario se reemplazan por condensadores de poliéster que son más baratos. Figura 13. Condensador de poliestireno CONDENSADORES DE MICA. La mica es un mineral de composición compleja: un silicato de aluminio con una mezcla variada de sales. Su resistividad es muy elevada (10 15 - 1017 OHM/cm) lo que proporciona bajas corrientes de fuga. La mica proporciona un alto grado de estabilidad. Un condensador de este tipo está constituido por delgadas hojas de mica emparedadas entre cierto número de placas metálicas de u tamaño inferior al de la mica para que no exista la posibilidad de contacto entre ellas. Las láminas metálicas se agrupan entre sí para formar los terminales de conexión. Todo el conjunto se sujeta a presión sólidamente y se recubre con una envoltura aislante de protección. Figura 14. Condensador de mica 9 Estos condensadores son más caros que los de disco de cerámica, pero son mucho más estables en radiofrecuencia. Por tanto sus aplicaciones se centran en circuitos para altas frecuencias. Sus valores están típicamente entre 5pF y 0.01uF, y sus voltajes de trabajo son regularmente de 200 a 50.000 voltios. Un capacitor especial llamado capacitor de mica plateada (se coloca una película de plata directamente sobre las hojas de mica, en vez de utilizar las placas) es más caro pero admite tolerancias muy próximas al 1%. La mayoría de los capacitores ordinarios tienen tolerancias de solo 10 a 20 %. En algunos circuitos de usos especiales se requieren valores muy precisos, y en estos casos se prefieren los capacitores de mica plateada. Estos no permiten frecuencias de trabajo tan elevadas. El valor va directamente impreso o por medio de cópdigo de colores. CONDENSADORES CERÁMICOS (DE DISCO). Quizás el tipo de capacitor que se usa con más frecuencia consiste de una oblea de material cerámico, colocado entre dos placas plateadas. Los terminales se conectan a las placas y todo el cuerpo se encierra en un blindaje protector de plástico. Debido a su forma, este tipo de capacitor se conoce más como capacitor de disco de cerámica. Sin embargo algunos capacitores de cerámica, se encapsulan en cajas rectangulares. Figura 15. Condensador cerámico Las bases cerámicas adoptan diferentes formas según el tipo y forma de trabajo de los condensadores. Los más comunes son tubulares, de disco y de cápsula. Resisten elevadas temperaturas, no absorben humedad y soportan bastante los ambientes ácidos. Pueden ser de coeficiente de temperatura positivo o negativo. En estos condensadores el dieléctrico es aplanado con forma circular o cuadrada y solapadas a las caras están las placas del condensador desde donde salen los terminales. 10 Se tienen valores en el rango de 10pF a 0.05uF aproximadamente. Aunque a veces se encuentran capacitores de cerámica de 0.5uF. Los voltajes de trabajo de los capacitores estándar de cerámica van desde 50 hasta 1.600 voltios aproximadamente. Los capacitores con bajos voltajes de operación, tienden a ser físicamente más pequeños. Todos los condensadores cerámicos llevan generalmente impreso en su superficie el valor en picofaradios y su tensión de trabajo, además de otras especificaciones como tolerancia o coeficiente de temperatura. Este tipo de condensador es muy utilizado porque es económico, comparativamente pequeño y posee baja corriente de fuga. En circuitos de muy alta frecuencia, demuestran no ser muy satisfactorios por su pobre estabilidad. Pero para frecuencias hasta de 100 KHz, son casi siempre una excelente elección. CONDENSADORES ELECTROLÍTICOS. Todos los capacitores tratados hasta acá son no polarizados. La necesidad de los condensadores electrolíticos surge cuando el circuito requiere una elevada capacitancia y una determinada polaridad. Se diseñan para operar únicamente en D.C. CONDENSADORES ELECTROLÍTICOS DE ALUMINIO. Este tipo consiste de un electrolito semiliquido entre electrodos o placas de aluminio. La placa positiva está tratada especialmente para formar una película delgada de óxido sobre su superficie. Esta película actúa como el dieléctrico del capacitor. Como el dieléctrico es de tan delgada película, se obtiene valores elevados de capacitancia en un espacio moderadamente pequeño. En todo condensador electrolítico polarizado, se requiere la identificación de los electrodos. Van marcados con los signos (+) y (-) para el positivo y el negativo respectivamente. Otra diferenciación de polaridad puede hacerse por la longitud de los terminales en los condensadores miniatura de tipo radial: el terminal más largo corresponde al positivo y el más corto al negativo. Sobre el cuerpo del condensador se imprime el valor de la capacitancia en microfaradios, la tensión de trabajo, e incluso a veces la tolerancia. Los valores típicos van desde 0.33uF hasta 10.000uF. Los voltajes de trabajo van desde 3 hasta 700 voltios. Figura 16. Condensador electrolítico 11 Los capacitores electrolíticos tienen una tolerancia muy amplia: del 50 al 70%. Excepto en aplicaciones críticas de sincronización, raras veces el valor preciso es importante, así que esta tolerancia pobre es aceptable. Las aplicaciones de los condensadores electrolíticos son muy variadas y podemos encontrarlos en un sin número de montajes: En fuentes de alimentación como elemento indispensable para el filtrado de la corriente rectificada. Estabilización de Voltajes. Acoplamiento entre etapas para bloquear la C.A. En circuitos multivibradores. Para compensar la reactancia inductiva de los circuitos ajustando el factor de potencia. Obtención de grandes constantes de tiempo RC. CONDENSADORES DE TÁNTALO O TANTALIO. El TÁNTALO es un material refractario no maleable ni dúctil, y pueden ser de electrolítico líquido o sólido. Desde el tántalo se saca el terminal del ánodo. Todo el conjunto se recubre de una capa de grafito que hace de catodo y de un revestimiento de resina sobre el que se imprimen las características. Un punto o un (+) sobre el cuerpo indica el terminal positivo. Los capacitores de tántalo presentan muchas ventajas sobre los electrolíticos de aluminio: - Tamaño reducido - menores pérdidas - baja corriente de fuga - estabilidad y mayor duración. Los dos inconvenientes que limitan su uso son el elevado precio y las bajas tensiones de trabajo. El margen de capacitancia oscila entre 0.1uF y 1.000uF, pero las tensiones no suelen estar por encima de 50 voltios. Figura 17. Condensador de tántalo En el momento de comprar un condensador, se debe especificar completamente con las siguientes características: - Valor nominal. - Voltaje de trabajo. 12 - Tolerancia. Tipo de condensador. En el mercado, los condensadores vienen normalizados en valores estándar: valores de condensadores electrolíticos dados en F: 3 - 3.3 - 4.7 - 6 - 8 - 10 - 12 - 16 - 20 - 25 - 30 - 40 - 50 -80 100 - 150 - 220 - 250 - 270 330 - 470 - 500 - 1.000 - 2.200 3.500 - 4.700. Aunque unos valores son más comerciales que otros. CÓDIGO DE COLORES PARA CONDENSADORES Figura 18. Código de colores para condensadores 13 CÓDIGO NUMÉRICO PARA CONDENSADORES DE CERÁMICA Y DE POLIESTER La capacitancia de este tipo de condensadores se especifica numéricamente mediante el siguiente código, expresado en Pico Faradios (pF), por ejemplo: C = AB x A= B= C= D= PRIMERA CIFRA. (Numérica) SEGUNDA CIFRA. (Numérica) TERCERA CIFRA. (Numérica) LITERAL: Indica la Tolerancia. 10 C D [ = ] pF Para el ejemplo: 1 Para el ejemplo: 0 Para el ejemplo: 104 Para el ejemplo: K Los códigos para la tolerancia se muestran en la tabla 3: Tabla 3. Códigos para la tolerancia. E: F G H J K M 0.5 % 1% 2% 3% 5% 10 % 20 % Por lo tanto, el valor de la capacitancia del condensador del ejemplo es: C = 10 x 104 pF 10 % = 0.1 F 10 % CHEQUEO DE CONDENSADORES CON EL TESTER. Hay dos tipos de problemas que ocurren con los condensadores: uno de ellos es que tenga sus placas en cortocircuito (el dieléctrico está roto y se presenta un cortocircuito entre las placas), o ellas están abiertas y no pueden recibir y sostener una carga. Hay una prueba simple con el tester para saber si un condensador está en buenas o malas condiciones. El chequeo se hace midiendo resistencia con el óhmetro, en la escala más baja. 14 PASO 1: Si el chequeo se hace con un Tester Análogo: Colocar el terminal negro del tester en el pin negativo del condensador y el terminal rojo en el pin positivo. La aguja indicadora se desplazará a la derecha. Esto significa que el condensador está aceptando la carga; después de que la aguja indicadora regrese a la posición izquierda y se mantenga ahí, significa que el condensador está completamente cargado y se comporta como un circuito abierto: no fluye corriente a través de él. Si el chequeo se hace con un Tester Digital: simplemente se lee inicialmente una muy baja resistencia y a medida que el condensador se va cargando, la lectura de la resistencia se hace cada vez mayor y tendiendo a infinito. PASO 2: Sin descargar el condensador, invierta la posición de las puntas de prueba con respecto a los pines del condensador. Al hacer esto, la aguja indicadora irá otra vez a la derecha (el condensador se descargará rápidamente y se cargará otra vez con la nueva polaridad) y luego regresará a la posición izquierda de nuevo. Si al hacer los dos chequeos sugeridos, la aguja se mueve como se espera, significa que el condensador no está en cortocircuito. De otra forma, si no se observa la acción de carga y descarga y se lee un valor constante de resistencia, significa que el condensador tiene el dieléctrico roto y hay una resistencia o cortocircuito directo entre las placas. Si se hace la prueba con un condensador de bajo valor (inferior a 1uF), usando este método y si el tester usado no es muy sensible, probablemente no se vea la acción de carga y descarga. Pero si al probarlo la aguja no se nueve y permanece en el extremo, esto indica al menos que el condensador no está en cortocircuito. Los condensadores cerámicos, que por lo general son de baja capacitancia se chequean en Rx100. Los condensadores electrolíticos que son de alta capacitancia se chequean en Rx1. Los condensadores se pueden conectar en serie o en paralelo. Y la Cequivalente para cada caso se obtiene de la siguiente manera: 15 Paralelo: Serie: Ceq = C1 + C2 + C3 Ceq = 1 1 C1 + 1 C2 1 C3 2. CONDENSADORES VARIABLES. Están formados por una serie de láminas fijas y móviles enfrentadas entre sí. Las láminas móviles van solidarias a un eje, permitiendo de este modo variar el área asociada a ambos grupos de placas y variando así la capacitancia. Figura 19. Condensador variable APLICACIONES DE LOS CONDENSADORES. CONSTANTES DE TIEMPO RC. Si una resistencia y un capacitor se conectan en serie con una fuente de voltaje, el capacitor se cargará a través de la resistencia en una proporción definida, determinada tanto por la resistencia como por el condensador. El tiempo que se requiere para que el capacitor quede cargado en un 63% de su nivel de carga a pleno potencial, se llama constante de tiempo del circuito RC. Si la fuente de voltaje "se mata", el condensador se descargará a través de la resistencia. En este caso la constante de tiempo se define como el tiempo necesario para que el capacitor se descargue a un 37% de su valor de plena carga. Las constantes de tiempo de carga y de descarga son siempre iguales. La constante de tiempo T de un circuito RC específico se determina como: = RC [ = ] SEGUNDOS 16 FILTROS. Un filtro es un circuito que permite el paso de algunas frecuencias a través de él, mientras que bloquea a otras. BIBLIOGRAFÍA 1. NUEVAS TECNOLOGÍAS. CURSO BÁSICO DE ELECTRÓNICA. REFERENCIA R621.3803 C87b. TOMO II. 2. MANUAL DE ELECTRÓNICA BÁSICA. TOMO I. REFERENCIA R621.38102 H67. 17 CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDENSADORES CARACTERÍSTICA CAPACIDAD TIPO CONDENSADOR Papel Poliéster Amplio rango temp. -55 C a 150 C Poliestireno (Estiroflex) Policarbonato VOLTAJE TRABAJO I FUGA 0.001 a 01 200 V a 5.000 Alta F V 2 pF a 10 F 30 V a 1.000 Media de V Mica RANGO FCIA TAMAÑO Caros 0.001 a 10 60 V a 1.200 V F 5pF a 0.01 200V a Muy baja F 50.000V 0.5pF a 10.000 F Electrolíticos Susceptibles al ruido Tántalo Menos susceptibles al ruido 0.33 F a 3V a 700 V 10.000 F 0.5 F a Máximo 50 V 50F Elevada Bajas TOLERANCIA Ineficiente a Grande. Exige Más o altas gran espacio menos frecuencias económico Económico 30 V a 600 V Cerámico COSTO Apto para altas frecuencias Muy elevada: radiofrecuenci as 0.25 % a 20 % 1% para mica plateada Grandes (varios Variado tamaños) Pequeños Muy caros Muy elevada: 50% a 70% Precisos. Baja tolerancia