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Universidad Abierta Interamericana
Sede Centro – Turno Noche.
TP Capacitores y Ultra Capacitores
Profesores


Titular: Vallhonrat, Carlos
Adjunto: Cingolani, Enrique
Alumno





Castro, Juan.
Castro Evans, Mercedes
Krasnov, Ricardo
Gonzalez, Javier.
Topalian, Diego.
UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA
Facultad de Tecnología Informática
Año
2013
Materia: Electromagnetismo de Estado Sólido I
Contenido
1.
Capacitores ................................................................................................................ 4
1.1.
2.
PARA QUÉ SIRVE ............................................................................................................ 6
1.1.1.
Acumuladores de energía: ........................................................................................ 6
1.1.2.
Filtros de rizado ......................................................................................................... 6
1.1.3.
Filtros de audiofrecuencia (AF) ................................................................................. 6
1.1.4.
Filtros de radiofrecuencia (RF) y sintonizadores ....................................................... 6
1.1.5.
Filtros de frecuencia de línea .................................................................................... 7
1.1.6.
Protectores de componentes electrónicos, bobinas y contactos de relays.............. 7
1.1.7.
Multiplicadores de Voltaje ........................................................................................ 7
1.1.8.
Acumuladores (digitales y analógicos) de información ............................................ 7
1.1.9.
Constantes de tiempo y acoplamientos .................................................................... 7
1.1.10.
Integradores y derivadores RC .................................................................................. 8
1.1.11.
Selectores o conmutadores táctiles .......................................................................... 8
1.1.12.
Desfasadores de línea (Corrección del "factor de potencia") ................................... 8
1.1.13.
Sensores y Transductores.......................................................................................... 8
1.2.
DE QUÉ ESTÁ HECHO ..................................................................................................... 9
1.3.
CÓMO FUNCIONA ......................................................................................................... 9
1.3.1.
Porqué se carga un capacitor (Descripción cualitativa): ........................................... 9
1.3.2.
Conservación de la carga eléctrica (en la carga y en la descarga de un capacitor) 11
1.3.3.
Efecto del dieléctrico (Descripción cualitativa) ....................................................... 11
1.3.4.
Efecto del dieléctrico (cuantitativamente).............................................................. 12
1.4.
Capacitores conectados en paralelo entre sí .............................................................. 13
1.5.
Capacitores conectados en serie entre sí.................................................................... 14
1.6.
Cómo se carga un capacitor (Circuito RC-serie en régimen transiente) ..................... 15
Ultra Capacitores ..................................................................................................... 16
2.1.
Clasificación ................................................................................................................. 16
2.2.
Características ............................................................................................................. 17
2.3.
Aspecto ........................................................................................................................ 18
2.3.1.
Aspecto Teorico ................................................................................................... 18
2.3.2.
Aspecto Real ........................................................................................................ 19
2.4.
Principios de Funcionamiento ..................................................................................... 19
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Materia: Electromagnetismo de Estado Sólido I
2.4.1.
Doble capa de capacitancia electroestática ........................................................ 19
2.4.2.
Pseudocapacitancia ............................................................................................. 20
2.5.
Materiales Utilizados................................................................................................... 21
2.5.1.
Electrodos............................................................................................................ 21
2.5.2.
Electrolito ............................................................................................................ 21
2.5.3.
Separador ............................................................................................................ 21
2.5.4.
Colectores............................................................................................................ 22
2.6.
Parámetros Eléctricos.................................................................................................. 22
2.7.
Ciclo de Vida de un UltraCapacitor ............................................................................. 23
2.8.
Comparación de UltraCapacitores Actuales................................................................ 23
2.9.
Comparación entre Tipos de Ultracapacitores ........................................................... 27
3.
Comparación Capacitores/Ultra Capacitores Vs Baterias ....................................... 28
4.
Uso de Capacitores/Ultra Capacitores..................................................................... 31
5.
4.1.
Memorias .................................................................................................................... 32
4.2.
Filtros. .......................................................................................................................... 32
4.3.
Demodular AM, junto con un diodo. .......................................................................... 32
4.4.
Baterías de Condensadores......................................................................................... 34
4.5.
Aplicaciones de los ultracapacitores en la actualidad................................................. 35
4.6.
ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA. ............................................................................... 35
4.7.
SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE POTENCIA. ............................................................ 35
Futuro de Capacitores/Ultra Capacitores ................................................................ 36
5.1.
Automóviles híbridos .................................................................................................. 38
5.2.
Apoyo energético ........................................................................................................ 39
5.3.
Almacenamiento de energía ....................................................................................... 39
5.4.
Sistemas de transferencia de potencia ....................................................................... 40
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1. Capacitores
Un capacitor o condensador eléctrico es un componente:
1. eléctrico (trabaja con corrientes y voltajes)
2. pasivo (no proporciona ganancia ni excitación)
3. de dos terminales (que puede ser simétrico o bien, polarizado), y
4. que acumula carga eléctrica.
Las principales características que describen a un capacitor son:
1. Fijo o variable
2. Electrolítico o no, Con o sin polaridad y Material del dieléctrico
3. Capacidad eléctrica nominal C (en pF, nF, μF o en mF)
4. Tolerancia de la capacitancia (en %)
5. Voltaje máximo de operación ΔVmax (en V ó kV)
6. Temperatura máxima o Rango de temperatura de operación (en °C)
7. Tipo de encapsulado y terminales para montaje (axial o no, superficial o
no)
De esas propiedades, la principal es su capacitancia o capacidad (de
acumular carga) eléctrica C, que en el S. I. de Unidades se mide en "F",
"farad" o "faradio", y es la relación entre la carga acumulada Q (que se mide en
"C", "coulomb" o "coulombio") y la diferencia de potencial o voltaje ΔV entre sus
2 terminales (en "V", "volt" o "voltio") que existe cuando está cargado:
C = Q/ΔV
El valor C de la capacitancia es una constante del capacitor (un número real
positivo) que depende de parámetros geométricos (forma y tamaño del
capacitor)
y
físicos
(del
material
del
dieléctrico).
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Como el farad y el coulomb representan cantidades muy grandes de
capacitancia y de carga eléctrica respectivamente, es más común encontrar F y
C con los prefijos p ("pico", 10-12), n ("nano", 10-9), μ ("micro", 10-6) y m ("mili",
10-3).
Cuando un capacitor de capacidad eléctrica C tiene una diferencia de potencial
ΔV, el capacitor está cargado con una carga Q = C ΔV. La carga máxima que
puede acumular está determinada por otro parámetro importante del capacitor:
el voltaje máximo ΔVmax que es inferior pero cercano al "voltaje de
ruptura" (VBR, Breakdown Voltage) que pueda tener sin destruirse. Este voltaje
también depende de parámetros geométricos del capacitor y físicos del
material
dieléctrico.
Un criterio de diseño arbitrario pero típico es usar hasta un voltaje que sea el
máximo dividido por raiz de 2. Por ej. un capacitor cuyo voltaje máximo nominal
sea 25 V, con este criterio debería estar sometido a voltajes inferiores al 71%
de
25
V
(unos
18
V).
El parámetro del material directamente relacionado con el VBR, es el campo
eléctrico de ruptura dieléctrica, denominado "resistencia dieléctrica" o
"ruptura dieléctrica" (EBR, Dielectric Strength) que se mide en kV/mm (ó
106V/m). Para el aire seco en condiciones normales la ruptura se produce a 3
kV/mm
aproximadamente.
La tolerancia porcentual (que se indica generalmente con letras), determina el
rango de valores en el que está (con cierta probabilidad) la capacitancia de un
capacitor comercial. La tolerancia está asociada a la calidad en su fabricación.
Por ejemplo un capacitor con una capacitancia nominal de "1000 μF" y una
tolerancia "M" (20%) significa que el valor de su capacidad eléctrica debería
estar entre 800 y 1200 μF. Los códigos de tolerancia más comunes son:
"M" ±20%
"K" ±10%
"J" ±5%
"G" ±2%
"F" ±1%
"D" ±0.5%
"C" ±0.25%
"B" ±0.1%
"A" ±0.05%
"Z" ±0.025%
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1.1. PARA QUÉ SIRVE
Un capacitor es un elemento muy simple, pero según cómo y dónde se utilice,
sirve para diferentes e importantes funciones, como por ejemplo:
1.1.1. Acumuladores de energía:
Un capacitor cargado, puede proporcionar carga eléctrica para realizar un
cierto trabajo. Por lo tanto, todo capacitor cargado tiene una energía potencial
eléctrica U acumulada (que se mide en "J", "joule" o "julio").
1.1.2. Filtros de rizado
Esta función se encuentra en las fuentes de alimentación (de corriente y/o de
voltaje), donde los capacitores se utilizan para eliminar ("filtrar") el rizado o riple
remanente de la conversión de corriente alterna (AC) en continua (DC)
realizada por el circuito rectificador.
1.1.3. Filtros de audiofrecuencia (AF)
Cuando señales compuestas por diferentes frecuencias se aplican a un
capacitor, éste tiene más "reactancia capacitiva" a las ondas de relativa baja
frecuencia. Este hecho tiene una importante aplicación en los circuitos
preamplificadores y amplificadores de audio. En particular, los divisores de
frecuencia pasivos (compuestos por capacitores, bobinas y resistores) que se
encuentran dentro de algunas cajas acústicas ("baffles"), tienen
configuraciones simples denominadas "filtros pasa altos" que dejan pasar las
frecuencias medias y altas (a través de capacitores en serie) hacia los
parlantes de sonidos medios y agudos ("tweeters"). También
forman "filtros pasa bajos" que cortocircuitan a tierra los agudos (a través de
un capacitor en paralelo) para que no lleguen a los parlantes de sonidos más
graves ("woofers"). Estos divisores de frecuencia también se utilizan con luces
psicodélicas en teatros, discotecas y pubs, para enviar los bajos hacia
lámparas de cierto color, y los sonidos medios y los altos a otras lámparas de
diferente color.
1.1.4. Filtros de radiofrecuencia (RF) y sintonizadores
En los aparatos de radio, de televisión (TV), teléfonos, detectores de metales y
otros sistemas de alta frecuencia, se utilizan capacitores en la implementación
de "filtros pasabanda", para dejar pasar solo un estrecho rango de
frecuencias. Capacitores fijos y variables puestos en paralelo (en "tandem")
forman parte de los circuitos "tanque" de sintonización de emisoras,
conectados generalmente en paralelo con bobinas o con transformadores de
RF.
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Por el contrario, en los "filtros de rechazo de banda" (o filtros "notch"), los
capacitores se usan para eliminar un estrecho rango de frecuencias.
1.1.5. Filtros de frecuencia de línea
Los filtros notch también se utilizan para eliminar múltiplos de la frecuencia de
la red eléctrica que puedan interferir con un dado equipo. Por ejemplo, si la red
es de 50 Hz, según el equipo puede haber filtros notch implementados con
capacitores para eliminar "ruido" de frecuencia 50, 100, 150 y 200 Hz.
1.1.6. Protectores de componentes electrónicos, bobinas y
contactos de relays
En circuitos inductivos (donde haya bobinas) los capacitores funcionan como
supresores ("snubbers") de transitorios. Conectados en paralelo sirven para
absorber la energía de la sobretensión inducida, ya que hacen que el transitorio
de corriente evolucione más lentamente (y por lo tanto que el voltaje inducido
sea menor), evitando que un contacto eléctrico se funda y se perfore, o
protegiendo componentes pasivos (como bobinas, transformadores y motores),
o evitando quemar componentes activos (como transistores, tiristores y triacs).
1.1.7. Multiplicadores de Voltaje
Conectando diodos rectificadores y capacitores, se pueden implementar
configuraciones de alto voltaje que cargan los capacitores en los semiciclos
AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del circuito. Se utilizan en
fuentes de alto voltaje (como por ej. las fuentes de televisores y de
ozonizadores de aire en hospitales y de agua en piscinas).
1.1.8. Acumuladores (digitales y analógicos) de información
Junto con la gran familia de "FET´s" (Field Effect Transistors, transistores de
efecto de campo), los capacitores se utilizan en referencias de voltaje, dentro
de
"chips"
de
memorias
y
en
circuitos
lógicos.
1.1.9. Constantes de tiempo y acoplamientos
Los capacitores sirven para producir constantes de tiempo (del tipo τ = RC o
equivalentes) en temporizadores, alarmas, sirenas, atenuadores de luz
("dimmers")
y convertidores
portátiles
de
voltaje.
Los capacitores también sirven para acoplar circuitos lógicos, etapas de
amplificadores y sondas con instrumentos (como osciloscopios).
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1.1.10.
Integradores y derivadores RC
Las constantes de tiempo RC también se utilizan para hacer que un capacitor
en paralelo (como en una configuración pasa bajos) se comporte como un
integrador de los voltajes con frecuencias superiores a la frecuencia de corte f3dB del filtro.
Por el contrario, un capacitor en serie (como en una configuración pasa altos)
se comporta como un derivador de los voltajes con frecuencias inferiores a la
frecuencia de corte f-3dB del filtro.
1.1.11.
Selectores o conmutadores táctiles
En selectores de pisos en ascensores, teclado en cajeros, y en dispositivos
como las ruedas táctiles de los iPod´s, los capacitores sirven
como interruptores electrostáticos, en lugar de los clásicos "botones"
electromecánicos que actúan por presión mediante piezas móviles.
1.1.12.
Desfasadores de línea (Corrección del "factor de
potencia")
En un circuito AC (de corriente alterna de 50 ó de 60 Hz) hay que distinguir
entre dos potencias:
Potencia media que se calcula como la media de la potencia instantánea P(t)
en un período, y que representa la potencia realmente utilizada por la
maquinaria, que suele especificarse en watt (W); y
Potencia aparente que es el producto de los valores eficaces (RMS, root mean
square) de la corriente y el voltaje.
La capacidad que se puede agregar a la instalación (para disminuir la fase φ)
no es arbitraria. El factor de potencia está limitado legalmente, ya que el
exceso de capacitores en la red podría ocasionar transitorios de corrientes muy
altos durante la puesta en marcha de la industria, haciendo "saltar" la red
eléctrica de una parte de la ciudad durante la sobrecarga.
1.1.13.
Sensores y Transductores
Como transductores entre ondas acústicas y eléctricas, elementos capacitivos
se usan como emisores y como receptores de ecógrafos en medicina y de
sonares
en
biología
marina.
En audio se usan en los antiguos fonocaptores ("cápsulas de cristal y
cerámicas"), en micrófonos cerámicos y en altavoces de agudos ("tweeters").
También se usan con piezoeléctricos en micro-manipuladores de microscopios
y
en
cubas
de
limpieza
por
ultrasonido.
Como sensores se utilizan en varios tipos de medidores, como por ejemplo de
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presión, tensión y aceleración. También se usan en sistemas
microelectromecánicos
(MEMs, MicroElectroMechanical
Systems)
con
dispositivos cuyo tamaño es del orden de 0.01 mm.
1.2.DE QUÉ ESTÁ HECHO
Un capacitor está construido con dos electrodos, placas o "armaduras"
metálicas muy próximas, separadas por un aislante denominado "dieléctrico",
que puede ser el aire, un líquido, aceite, pasta, papel con parafina o cera, o un
sólido
rígido.
Los capacitores "electrolíticos" tienen polaridad, es decir, un terminal (indicado
como "-") debe estar siempre a igual o menor potencial que el otro terminal
(correspondiente a "+"). En estos capacitores, el dieléctrico es generalmente un
electrolito líquido viscoso o una pasta salina. Se usan para tener mayor
capacitancia.
Los dieléctricos sólidos rígidos pueden ser de materiales cerámicos como por
ejemplo mica, vidrio, compuestos de tantalio, porcelana, o bien de polímeros
como poliester (mylar), poliestireno, policarbonato, polipropileno o teflon.
Para lograr mayores capacitancias, debe aumentar la inducción electrostática,
ya sea por aumento de superficie y/o proximidad de las superficies de las
placas. Para esto se hacen condensadores tubulares o enrollados de diferentes
formas, con más de una lámina en cada electrodo. También se usan los
electrolíticos, y otros sin polaridad pero con dieléctricos cerámicos
ferroeléctricos
de
altísima
constante
dieléctrica.
El tamaño del capacitor depende principalmente de tres parámetros: de la
capacidad C, del voltaje máximo (ΔV)max, y de la constante dieléctrica ke del
dieléctrico (Fabricando capacitores con materiales dieléctricos de altos valores
de ke se reduce el tamaño). En particular, en computación y sistemas digitales
portátiles o miniaturizados (memorias, pendrives, MP3, etc.) se usan cerámicas
avanzadas ferroeléctricas de altísimas constantes dieléctricas.
1.3.CÓMO FUNCIONA
1.3.1. Porqué se carga un capacitor (Descripción cualitativa):
Para ver cómo funciona un capacitor, primero hay que ver por qué se carga. Y
para esto, hay que tener presente que los conductores tienen ciertas
características particulares, que en este contexto se pueden resumir como
sigue:
(a) Los conductores (en general metales puros o aleaciones) son materiales
con electrones libres, lo que significa que bajo la presencia de un campo
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eléctrico, estas cargas negativas pueden trasladarse con cierta facilidad, y
pueden
hacerlo
macroscópicamente
en
todo
el
material.
(b) En el interior de un conductor en equilibrio electrostático, no puede haber
campo eléctrico neto (pues sino, las cargas se acelerarían y no habría
equilibrio).
Entonces,
Einterior = 0 V/m (Interior de un conductor en condiciones electrostáticas)
(c) Por lo anterior, cualquier zona del conductor con exceso o defecto de
cargas (o sea, en un conductor cargado y/o bajo inducción eléctrostática), este
exceso debe estar en las superficies exteriores y/o interiores del conductor
(Esto se demuestra formalmente con el Teorema de Gauss, derivado de una de
las 4 Ecuaciones de Maxwell, o Leyes Fundamentales del Electromagnetismo).
A partir de estas observaciones, se puede explicar porqué se carga el
capacitor. Consideremos (para fijar ideas) un capacitor formado por dos placas
paralelas de superficie A en cada cara, y separadas una pequeña distancia d.
El capacitor se encuentra inicialmente descargado y entonces se lo conecta a
una fuente de voltaje ΔV a través de un resistor de resistencia eléctrica R.
Debido al voltaje de la fuente, dentro del conductor que une las placas a través
de la fuente y el resistor, se crea un vector campo eléctrico E que se dirige
hacia la placa "+" (que es la placa conectada al borne positivo "+" de la fuente).
Este campo es atractivo para cargas negativas y repulsivo para cargas
positivas.
Entonces, el campo eléctrico dentro del conductor induce una
fuerza atractiva sobre los electrones libres de la placa "+". Debido a esa fuerza,
algunos electrones libres abandonan la cara interna "+", dejando el equivalente
a una carga Q > 0 C, depositada en la cara interna de la placa "+" (en las
partes interiores de placas y de alambres no puede haber carga neta).
El mismo campo E que dentro del material en el lado "+" del circuito induce una
fuerza atractiva, del otro lado, en el lado "-", induce una fuerza repulsiva sobre
los electrones libres que van pasando a través de la fuente. Esto hace que la
carga -Q de electrones que migraron desde la armadura "+" se aloje en la cara
interior
de
la
placa
"-".
De este modo, se tienen cargas opuestas sobre las superficies internas
(enfrentadas) de las placas del condensador, con un campo eléctrico que va
desde "+" hacia "-". Las cargas no pueden saltar de una placa a la otra debido
a la existencia del dieléctrico (que es un material aislante).
Esta redistribución de cargas fue inducida por campo eléctrico. El proceso
de inducción eléctrica se detuvo cuando el campo creado por esta
distribución de cargas compensa al campo debido a la fuente externa (es decir,
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cuando el voltaje de la fuente es exactamente el voltaje en el capacitor).
Entonces cesa la corriente i de cargas, y sobre el resistor ya no hay diferencia
de potencial. Cuando no hay más movimiento de cargas (i = 0 A), ha terminado
la
carga
del
capacitor.
Finalmente hay que destacar que debido a la resistencia R de los conductores
entre la fuente de voltaje y las placas del capacitor, para cargarlo moviendo las
cargas negativas desde una placa hasta la otra, la fuente tuvo que realizar un
trabajo, gastando energía (generalmente electroquímica) que tuvo que tomar
de su interior, convirtiéndola en energía eléctrica, que se disipa en R a un ritmo
dado
por
la
Ley
de Joule (i2R).
1.3.2. Conservación de la carga eléctrica (en la carga y en la
descarga de un capacitor)
En la Naturaleza se observa que hay ciertas leyes de conservación que deben
cumplirse en los procesos físicos. Por ejemplo, la carga eléctrica no puede
crearse ni desaparecer, es decir, existe un Principio de conservación de la
carga eléctrica, que durante la carga y descarga de los capacitores también se
debe
cumplir.
Supongamos que tenemos un capacitor cargado con carga Q y que juntamos
los terminales (o sea, que lo "cortocircuitamos"). Vemos una chispa y
posteriormente el capacitor queda descargado. ¿Qué sucedió con la
conservación
de
la
carga
eléctrica?
Este problema se responde viendo cómo funciona un capacitor. Las placas
metálicas del capacitor inicialmente son neutras, es decir, no hay ni exceso ni
defecto de electrones libres. Por lo tanto, en cada armadura se tiene 0
coulomb, y entonces, la carga eléctrica del conjunto de placas, es también 0 C
(i.e.,
el
capacitor
está
descargado).
Pero cuando se dice que el capacitor fue cargado y que tiene carga Q, significa
que una placa tiene tiene un exceso de carga Q y a la otra le falta exactamente
esa carga, o sea que la otra placa tiene una carga -Q. Por lo tanto, la
carga neta y total en las dos armaduras del capacitor cargado, o cargándose, o
descargándose
nunca
dejó
de
ser
cero
coulomb.
Es decir, la energía potencial eléctrica acumulada en un capacitor cargado no
se debe a la carga neta total (la que sigue siendo 0 C), sino que la energía
corresponde a la separación de cargas, electrones que se fueron de una
armadura y que están en la otra, produciendo un campo eléctrico en una cierta
región del espacio. En esa distribución de campo eléctrico está la energía
potencial electrostática.
1.3.3. Efecto del dieléctrico (Descripción cualitativa)
Al agregar un dieléctrico, siempre hay aumento de la capacidad. Para verlo hay
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que considerar que el material del dieléctrico se polariza generando un campo
eléctrico que se opone al campo eléctrico exterior. Por lo tanto, si se mantiene
al condensador aislado (carga Q0 constante), al agregar el dieléctrico, el campo
en el interior del condensador, y el voltaje en los terminales, disminuyen.
Pero por otro lado hay que ver que si se mantiene constante al
voltaje V0 aplicado sobre el capacitor, el campo en el interior no cambia (haya o
no dieléctrico). Por lo tanto, para que el campo en el interior sea el mismo
cuando existe el dieléctrico, debe haber una cantidad mayor de carga Q en las
placas, que compense la tendencia del material a disminuir el campo.
Entonces, la capacitancia del capacitor es mayor cuando tiene dieléctrico
(C0 < C).
1.3.4. Efecto del dieléctrico (cuantitativamente)
La relación más general del capacitor ideal con dieléctrico se obtiene usando el
vector desplazamiento eléctrico D en el Teorema de Gauss generalizado, para
un dieléctrico lineal e isótropo donde D = εE0. En este caso
Q = ε E0 A = ke ε0 E0 A = ke Q0
Por otro lado, como sigue siendo ΔV = V0 = constante, se tiene
ΔV = E0 d
Entonces, dividiendo estas últimas expresiones se tiene la capacidad eléctrica
del capacitor ideal de placas planas paralelas con dieléctrico de constante
dieléctrica ke ≡ ε/ε0:
C = Q/ΔV = ε A/d = ke C0
Por lo tanto si se comparan 2 capacitores ideales de placas paralelas,
idénticos, inicialmente ambos con aire ("sin dieléctrico") y posteriormente a uno
de
ellos
se
le
coloca
un
dieléctrico,
se
tiene
que:
a) La capacidad eléctrica aumenta en el que tiene dieléctrico exactamente en
un factor dado por la constante dieléctrica:
C = C0 ke
donde C0 es
la
capacitancia
en
el
capacitor
ideal
sin
dieléctrico.
b) Si se cargan con el mismo voltaje V, la intensidad E del campo eléctrico E en
el interior del dieléctrico también resulta igual en ambos, pero la carga aumenta
en el que tiene dieléctrico exactamente en un factor dado por la constante
dieléctrica:
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Q = Q0 ke
donde Q0 es
la
carga
en
el
capacitor
ideal
sin
dieléctrico.
c) Si se cargan con la misma carga electrostática Q, la intensidad E del campo
eléctrico E en el interior del dieléctrico, decrece exactamente en un factor dado
por la constante dieléctrica:
E = E0/ke
donde E0 es la intensidad del campo en el capacitor ideal sin dieléctrico. Por lo
tanto, lo mismo sucede con el voltaje:
V = V0/ke
En general, para un capacitor que no sea ideal y/o que no sea de placas planas
paralelas, el efecto del dieléctrico se puede resumir como sigue:
(1) El dieléctrico siempre aumenta la capacidad eléctrica en un factor
relacionado
con ke;
(2) Para un mismo voltaje, el dieléctrico aumenta la carga en el mismo factor; y
(3) Para una misma cantidad de carga acumulada, el dieléctrico disminuye la
intensidad de campo eléctrico en el interior del dieléctrico (y disminuye el
voltaje sobre el capacitor) en un factor relacionado con 1/ke.
1.4. Capacitores conectados en paralelo entre sí
La capacidad de acumular carga se debe al fenómeno de inducción
electrostática entre conductores. Por lo tanto, aumentar el área de proximidad
entre conductores, aumenta la capacidad de inducción, y entonces la
capacidad eléctrica. Esto se vio explícitamente en la expresión de la capacidad
de
un
capacitor
ideal
de
placas
paralelas
donde C = ε A/d.
Esta expresión también permite entender lo que sucede si se colocan
capacitores de capacidades C1, C2, C3, ... conectados en paralelo, es decir,
donde el voltaje sobre cada capacitor es igual al voltaje del conjunto, en todo
instante de tiempo:
Vparalelo = V1 = V2 = V3 = ...
Es como aumentar la superficie, y por lo tanto, la carga total acumulada es la
suma de las cargas individuales:
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Qparalelo = CparaleloVparalelo = Q1 + Q2 + Q3 + ...
Entonces, la capacitancia equivalente del conjunto en paralelo resulta:
Cparalelo = C1 + C2 + C3 + ...
1.5.Capacitores conectados en serie entre sí
Debido a que la capacidad de acumular carga se debe al fenómeno de
inducción electrostática entre conductores, también se ve que al aumentar la
distancia d de separación de las placas entre conductores, disminuye la
capacidad de inducción, y entonces disminuye la capacidad eléctrica C = ε A/d.
La misma expresión también muestra lo que sucede si se colocan capacitores
de capacidades C1, C2, C3, ... conectados en serie, es decir, donde los voltajes
se suman:
Vserie = Qserie/Cserie = V1 + V2 + V3 + ...
Hay que observar que al estar conectados en serie, la corriente es igual en
cada capacitor, y entonces, la variación de carga también debe ser la misma.
Por lo tanto, todos los capacitores en serie se cargan (o descargan) en la
misma cantidad en todo instante de tiempo. Por lo tanto, la carga final también
será igual en cada capacitor:
Qserie = Q1 = Q2 = Q3 = ...
Entonces, reemplazando
equivalente en serie:
se
obtiene
la
expresión
de
la capacitancia
1/Cserie = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...
o bien:
Cserie = [1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...]-1
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1.6. Cómo se carga un capacitor (Circuito RC-serie en régimen
transiente)
Al colocar una fuente de corriente continua (DC) de voltaje VDC a través de una
resistancia R, para cargar un capacitor en el instante t0 = 0
s, semicualitativamente se
puede
ver
lo
siguiente:
Desde t0, en todo instante t el voltaje de la fuente se repartirá entre la
resistencia y el capacitor (Ley de voltajes de Kirchhoff):
VDC = VR(t) + VC(t) = Ri(t) + Q(t)/C
siendo la corriente i(t) igual a la variación de carga en el capacitor, que
matemáticamente se puede expresar:
i(t) ≡ ΔQ(t)/Δt (Δt → 0s)
Inicialmente, en el primer instante (t0 = 0 s), el voltaje inicial en el capacitor
es VC(0s) = 0 V, correspondiendo al capacitor inicialmente descargado, es decir
con carga inicial Q(0s) = 0 C. Por lo tanto, la corriente inicial está determinada
por la fuente y la resistencia:
i(0s) = VDC/R
Posteriormente comienza a cargarse. Durante esta carga el voltaje
sobre R disminuye, y por lo tanto disminuye del mismo modo la corriente. Esto
finaliza cuando se alcanza el estado estacionario (t → ∞), con el capacitor
cargado al voltaje de la fuente:
i(∞) = 0 A
VC(∞) = VDC
Q(∞) = C VC(∞) = C VDC
Se muestra que en la carga del capacitor el tiempo está escalado por la
constante de tiempo τ = RC, que el decrecimiento de esta corriente es
exponencial, y que el estado estacionario en la práctica se puede considerar
alcanzado con tiempos superiores a unas 5 constantes de tiempo, cuando
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queda menos del 1% de la corriente inicial (y cuando falta menos del 1% para
alcanzar el voltaje de la fuente). La misma variación exponencial se obtiene al
estudiar
la descarga del
capacitor.
2. Ultra Capacitores
Los
Supercondensadores,
a
veces
llamados
supercondensadores o condensador eléctrico de doble capa (EDLC) o
pseudocapacitores,
pertenecen
a
la
familia
de
condensadores
electroquímicos. La principal diferencia con respecto a los condensadores
típicos se basa en que el valor de la capacitancia de un condensador
electroquímico se determina por dos principios de almacenamiento, ambos de
los cuales contribuyen a la capacitancia total del condensador:

Doble capa de capacitancia electroestática

Pseudocapacitancia
La relación del almacenamiento resultante de cada principio puede variar
mucho, dependiendo del diseño del electrodo y de la composición de
electrolito.
2.1.Clasificación
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Los supercondensadores se dividen en tres familias, basado en el diseño de
los electrodos:

Condensadores de doble capa con electrodos de carbono

Pseudocapacitores: con electrodos de metales óxidos o polímeros
conductores con una alta cantidad de pseudocapacitancia farádica

Capacitores híbridos: condensadores con electrodos especiales y
asimétricos que presentan tanto características de capacidad de doble
capa y pseudocapacitancia, tales como condensadores de iones de litio
2.2.Características
Los Supercondensadores intentan cerrar la brecha entre los condensadores
convencionales y las baterías recargables. Estos tienen los valores de
capacidad disponibles más altos por unidad de volumen y la mayor densidad
de energía de todos los condensadores. Se admiten hasta 12.000 faradios / 1,2
voltios, con valores de capacidad de hasta 10.000 veces el de los
condensadores electrolíticos. Si bien los supercondensadores existentes tienen
densidades de energía que son aproximadamente el 10% de una batería
convencional, su densidad de energía es por lo general 10 a 100 veces mayor.
La densidad de potencia se define como el producto de la densidad de energía,
multiplicado por la velocidad a la que la energía se entrega a la carga. Esto
resulta es en ciclos más cortos de carga/descarga que los tiempos
comparables de las baterías convencionales. Y a la vez mayor tolerancia a
numerosos ciclos de cargas/descarga que agrandan la vida útil.
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2.3.Aspecto
2.3.1. Aspecto Teorico
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Bateria
Colectores
Electrodo Polarizado
Capa Doble de Helmholtz
Electrolito con Iones negativos y positivos
Separador
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2.3.2. Aspecto Real
2.4.Principios de Funcionamiento
2.4.1. Doble capa de capacitancia electroestática
Se basa en el principio descubierto por Hermann Ludwig Ferdinand von
Helmholtz, al aplicar un voltaje a la estructura del superconductor causa dos
capas de iones que se generan. Una de las capas es la que se forma en el
electrodo, la otra con polaridad opuesta, se conforma con los iones del
electrolito.
Ambas capas de iones opuestos están separadas por una monocapa de
moléculas aislantes del solvente, comúnmente agua. Esta monocapa se llama
comúnmente IHP (Plano Interno de Helmholtz) y forma un dieléctrico molecular.
A la vez la cantidad de carga en el electrodo tiene la misma magnitud que las
contra-cargas en la OHP (Plano Externo Helmholtz), este fenómeno de utiliza
para guardar cargas eléctricas como cualquier capacitor convencional.
La carga acumulada en la doble capa forma un campo eléctrico estatico en la
capa molecular IHP que corresponde a la fuerza del voltaje aplicado.
Debido al ancho formado por el IHP (extremadamente pequeño), se genera un
campo electrico extremadamente fuerte.
Por ejemplo, aplicando una diferencia de potencial de 2V se obtiene:
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Para comparar contra un condensador convencional y obtener resultados
comparativos, al voltaje de de 6.3 V:
6.3 V/8.8 nm = 716 kV/mm
El orden de magnitud es del orden de 7 veces menos incluso aplicando mayor
voltaje.
2.4.2. Pseudocapacitancia
La pseudocapacitancia también se da en la doble capa de Helmholtz, esta se da a través
de los iones del electrolito, que funcionan como donantes de electrones para con los
átomos del electrodo, formando así una corriente farádica. Dicha transferencia de carga
farádica genera reacciones redox, electroabsorciones o intercalaciones sobre el
electrolito y la superficie del electrodo, esto en si mismo se llama pseudocapcitancia.
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2.5.Materiales Utilizados





2.5.1. Electrodos
Carbon Activado, ambiente friendly, se extrae de cocos.
Grafeno: es carbón, ancho como un atomo, altísima conductividad.
2.5.2. Electrolito
Basados en Carbono activo: 160 F/g
Organicos: 100 F/g
2.5.3. Separador
Polyacrylonitrile
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
Kapton
2.5.4. Colectores

Aluminio
2.6.Parámetros Eléctricos
Energía otorgada por un Superconductor
Resistencia Interna
Densidad de Poder
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2.7.Ciclo de Vida de un UltraCapacitor
2.8.Comparación de UltraCapacitores Actuales
Manufacturer
Series
Capacitance
Cell
ESR-
Volumetric
Gravimetric
name
range
voltage
at Cmax
energy-
energy-
( F)
(V)
(mΩ)
density
density
(Wh/dm3)
(Wh/kg)
Remarks
APowerCap
APowerCap
4…550
2.7
-
-
4.5
-
AVX
BestCap
0.068…0.
3.6
-
0.13
-
Module
56
s up to
16 V
Cap-XX
Cap-XX
0.16…2.4
2.75
14
1.45
1.36
-
…2.7
5
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CDE
Cooper
Ultracapacit
0,1…300
or
0
PowerStor
0.1…400
2.7
0.29
7.7
6.0
-
2.5…
4.5
5.7
-
-
2.7
Elna
Elton
DYNACAP
0.047…3
2.5...
8.0
5.4
-
-
POWERCA
00
3.6
3.0
5.3
-
-
0.5
6.8
4.2
Module
P
2.5
Supercapaci 1800…12
1.5
tor
000
s up to
29 V
Evans
Capattery
0.001…1
125
200
-
-
Hybrid
0
capacit
ors
HCC
HCAP
0.22…50
2.7
15
10.6
-
Module
00
s up to
45 V
FDK
EneCapTen
2000
4.0
-
25
14
LI-Ioncapacit
ors
Illinois
Ioxus
Supercapaci 1…3500
2.3…
tor
2.7
Ultracapacit
100…300
2.7
or
0
2.3
0.29
7.6
5.9
-
0.26
7.8
6.0
-
8.7
6.4
220…100
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0
JSR Micro
Ultimo
1100…33
3.8
1.2
20
12
Li-Ion-
00
capacit
ors
Korchip
STARCAP
0.01…40
2.7
12
7.0
6.1
0
Module
s up to
50 V
Liyuan
Supercapaci 1…400
2.5
10
4.4
4.6
-
2.8
0.25
6.0
5.9
Module
tor
LS Mtron
Ultracapacit
100…300
or
0
s up to
84 V
Maxwell
Boostcap
10…3000
2..2…
0.29
7.8
6.0
2.7
Module
s up to
125 V
Murata
EDLC
0.35…0.7
2.1
30
0.8
-
-
NEC
Supercapaci 0.01…10
2.7
30,00
5.3-
4.2
-
tor
0
3.8
0
-
-
Li-Ion-
LIC
1100…12
Capacitor
00
EDLC,
3…60
Nesscap
Pseudocapa 50…300
citor
1.0
capacit
ors
2.3
35
4.3
3,3
Module
2.3
18
12.9
8.7
s up to
125 V
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Nichicon
NCC, ECC
EVerCAP
DLCCAP
0,47…60
2.5…
00
2.7
350…230
2.5
2.2
6.9
4.0
-
1.2
5.9
4.1
Module
0
s up to
15 V
Panasonic
Samwha
Goldcap
Green-Cap
0.015…7
2.1…
0
2.3
3…3000
2.7
100
3.4
-
-
0.28
7.7
5.6
Module
s up to
125 V
Skeleton
SkelCap
900…350
2.85
0.2
14.1
10.1
-
0
Taiyo Yuden
PAS
0.03…50
2.5…
70
6.1
-
Pseudo
Capacitor
0.25…20
3.0
50
-
-
capacit
LIC
0
3.8
ors
Capacitor
Li-Ioncapacit
ors
VinaTech
Hy-Cap
1.5…800
2.3…
10
8.7
6.3
-
0.18
5.2
4.3
Module
3.0
WIMA
SuperCap
12…6500
2.5…
2.7
s up to
112 V
YEC
Kapton
0.5…400
2.7
12
7.0
5.5
-
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capacitor
Yunasko
Ultracapacit
480…170
or
0
2.7
0.17
6.1
5.8
-
2.9.Comparación entre Tipos de Ultracapacitores
Supercapacitors
Parameter
Double-layer
capacitors
for
memory
backup
Supercapacitors
for power
applications
Pseudo and
Hybrid
capacitors
(Li-Ion
capacitors)
Temperature
range (°C)
−20 to +70
−20 to +70
−20 to +70
Cell
voltage (V)
1.2 to 3.3
2.2 to 3.3
2.2 to 3.8
Charge/discharge
cycles
105 to 106
105 to 106
2 • 104 to 105
Capacitance range
(F)
0.1 to 470
100 to 12000
300 to 3300
Energy density
(Wh/kg)
1.5 to 3.9
4 to 9
10 to 15
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Power density
(kW/kg)
2 to 10
3 to 10
3 to 14
Self discharge time
at room temperature
middle
(weeks)
middle
(weeks)
long
(month)
Efficiency (%)
95
95
90
Life time
at room temperature
(Years)
5 to 10
5 to 10
5 to 10
3. Comparación Capacitores/Ultra Capacitores Vs Baterias
Una batería está compuesta de celdas electroquímicas, Estas celdas consisten
en dos electrodos separados por una distancia, el espacio entre ellos se rellena
con un electrolito, que es un compuesto que convierte en iones cuando es
disuelto en cierto solvente, como acido de batería. Uno de estos electrodos
permite a los electrones fluir fuera del mismo mientras el otro los recibe. La
energía se almacena en el compuesto que crea los electrones.
Los ultracapacitores tienen dos materiales conductivos (generalmente placas
de metal) que están recubiertas con carbón activados y son sumergidos en un
electrolito. Una de estas placas tiene iones positivos, mientras la otra tiene
iones negativos. Mientras se carga, estos iones se acumulan en la superficie de
cada una de las placas.
Para almacenar energía, cada electrodo tiene dos capas de carga en su
superficie. Por lo tanto, un ultracapacitor es como tener dos capacitores
regulares. Por esto es que a los ultracapacitores se los denomina capacitores
de dos capas.
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Los ultracapacitores son uno de los mejores dispositivos para entregar energía
de forma veloz. Como un ultracapacitor almacena la energía en un campo
eléctrico, en lugar de una reacción química, pueden sobrevivir cientos de miles
de ciclos de cargas y descargas más que una batería convencional.
A diferencia de los capacitores y los ultracapacitores, las baterías almacenan la
energía en una reacción química. Los iones son insertados en la estructura
subatómica de un electrodo. Por el contrario en un ultracapacitor, los iones
simplemente se adhieren.
Esta es una distinción importante, ya que almacenar energía sin una reacción
química permite a los ultracapacitores la carga y descarga mucho más veloz
que las baterías.
Además, como los capacitores no sufren las consecuencias de las reacciones
químicas, pueden durar mucho más tiempo.
A pesar de ofrecer un gran salto sobre los capacitores regulares, los
ultracapacitores todavía se quedan detrás de las baterías en relación a la
capacidad de almacenamiento de energía.
Los ultracapacitores, que son mucho más caros por unidad que las baterías,
solo pueden almacenar un 5% de la energía que puede almacenar una batería
de lithium-ion.
Esto es problema fatal para muchos escenarios donde se desean reemplazar
las baterías por ultracapacitores.
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Seria técnicamente posible, por ejemplo, utilizar ultracapacitores en lugar de
baterías de lithium-ion en un teléfono celular, con alguna beneficios
importantes.
Nunca se tendría que reemplazar los ultracapacitores, a diferencia de las
baterías que suelen perder su capacidad de almacenamiento con el tiempo. Y
además el teléfono se recargaría muy rápido.
Pero con los ultracapacitores actuales, el teléfono no podría estar cargado
durante mucho tiempo, entre 90 min y 5 horas máximo.
Los ultracapacitores son muy efectivos, sin embargo, aceptando o entregando
energía de forma repentina, lo que los hace buenos compañeros para las
baterías de lithium-ion.
Por ejemplo, en un auto eléctrico, un ultracapacitor puede proveer la energía
necesaria para la aceleración, mientras que la batería provee más rango y
recarga el capacitor entre entregas de energía.
En términos más simples. Se puede pensar el ultracapacitor como un balde
pequeño con una abertura grande. El agua puede fluir hacia adentro o afuera
muy rápido, pero no hay mucha cantidad de la misma.
Una batería, por el contrario, es como un balde muy grande, con una abertura
muy pequeña. Puede contener mucha agua, pero toma mucho más tiempo que
el agua circule por la abertura, ya sea hacia adentro o hacia afuera.
Existen algunas limitaciones inherentes a la tecnología de los capacitores.
La densidad de energía de un ultracapacitor palidece contra las baterias de
lithium-ion, que es la tecnología utilizada hoy en dia en teléfonos y laptops.
Las baterías almacenan tal vez 20 veces más energía que un supercapacitor,
para un tamaño y peso dado.
Esto significa que el iphone 5 debería ser 2 o 3 pulgadas más grueso para
contener un supercapacitor,
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Una batería puede producir y almacenar electrones, mientras que un capacitor
solo los almacena.
Mientras que una batería puede entregar energía durante el curso de varias
horas, los capacitores se descargan en cuestión de segundos.
Esto permite a los capacitores ser usados en lugares que requieren descarga
de energía muy veloz, como los flashes de las cámaras, mientras que para el
suministro de energía para de los dispositivos electrónicos se utilizan baterías.
Los ultracapacitores también tienen baja densidad de energía y pueden
contener solamente de 1/5 a 1/10 de energía que una batería.
Los ultracapacitores son dispositivos de bajo voltaje, para lograr un voltaje
práctico de trabajo, varios deben ser combinados.
Finalmente, la producción en masa de ultracapacitores no es efectiva desde el
punto de vista de la inversión económica.
Por ejemplo, para utilizar ultracapacitores para cargar una laptop, se deberían
invertir cientos de dólares en docenas de ultracapacitores. Una vez conectados
juntos, estos capacitores en serie crearían una laptop que ya no podría ser
móvil.
Debido a estas limitaciones, la utilización de capacitores en los dispositivos
móviles y del hogar todavía no es factible.
4. Uso de Capacitores/Ultra Capacitores
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Los capacitores se emplean en un sinnúmero de aplicaciones dentro del
campo de la Electricidad y la Electrónica, siendo probablemente luego de las
resistencias uno de los componentes mas empleados. Se utilizan en circuitos
temporizadores, filtros en circuitos de radio y TV, fuentes de alimentación,
arranque de motores, corrección del coseno de fi en corriente alterna, etc.
4.1.Memorias
En esencia, el principio que permite a la memoria RAM almacenar información
es muy sencillo. Los chips de RAM contienen millones de capacitores, cada
uno de ellos en combinación con un transistor. Cada capacitor almacena un bit
de información, según esté cargado eléctricamente o no. El transistor opera
como un interruptor que cambia el estado del capacitor que tiene asignado, de
manera dinámica, de acuerdo con las instrucciones que reciba del
microprocesador.
4.2.Filtros.
El condensador permite el paso de la corriente alterna pero no el de la
continua. En los circuitos con transistores éstos deben ser estabilizados
para corriente continua con resistencias, pero se les coloca condensadores
en paralelo para permitir el paso de la corriente alterna libremente.
Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con
otros componentes.
4.3.Demodular AM, junto con un diodo.
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Ejemplo de un circuito para el filtro de media onda

El flash electrónico, que provoca una descarga de la electricidad
acumulada en un condensador en una lámpara de xenón. Una vez
cargado el condensador, su disparo es instantáneo y debe estar bien
sincronizado con la apertura del obturador.

Tubos fluorescentes. Una lámpara fluorescente utiliza un condensador
para evitar que el circuito eléctrico esté desfasado y se desperdicie
energía.

Circuitos de tiempo. Utilizando la combinación resistencia y condensador
se utiliza el tiempo de carga y/o descarga del condensador.

Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.

Disminuir el consumo de intensidad en las instalaciones eléctricas
Industriales y mejorar el coste del consumo.

Permitir el arranque de motores.
Un capacitor, conectado a una bobina separada en el motor, crea una corriente
eléctrica alternante delante de la fase principal por 90 grados. Esto sucede
porque la corriente a través del capacitor conduce el voltaje por 90 grados.
Durante el arranque de un motor, un interruptor conecta un capacitor y una
bobina especial de arranque al motor. Luego de que el motor alcanza la
velocidad de operación, el interruptor desconecta el capacitor. Si el capacitor
permanece conectado al motor, coloca un peso sobre la eficiencia del motor.
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4.4. Baterías de Condensadores
Las baterías de condensadores se utilizan para la compensación de la energía
reactiva en instalaciones de baja tensión. Permiten:
 La reducción de la factura de la Electricidad
 La mejora del rendimiento de la instalación, ahorrando en inversiones
para ampliación de líneas protecciones y cuadros en general
 La disminución de la energía necesaria para el funcionamiento de las
empresas se contribuye a la mejora del medioambiente, al ser menor la
cantidad demandada a la red.
 Ayudar a convertir la tensión alterna en continua (rectificación) para la
alimentación de las placas de circuito impreso presentes en casi todos los
dispositivos electrónicos (ordenadores, monitores, equipos Hi-Fi, DVD´s,
etc). Se utilizan condensadores electrolíticos con polaridad asignada.

Filtrar un margen de frecuencias concreto en señales tipo
multifrecuencia (ecualización de graves, medios o agudos en
aplicaciones de audio).
 Variar la frecuencia con la cual un circuito sintonizador, selecciona una
frecuencia de todas las comprendidas en la señal multifrecuencia que
recibe (antena). Esto lo consigue un condensador de capacidad variable al
variar la rosca del dial, con lo cual sintonizamos la emisora de
radio que queremos.

Eliminar la componente continua indeseable de algunas señales (fig. 17)
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Fig. 17.- Filtrado de una comp. continua mediante condensador de desacoplo
4.5.Aplicaciones de los ultracapacitores en la actualidad.
La investigación en ultracapacitores se encuentra motivada por las enormes
ventajas que su uso representa para el desarrollo de circuitos eléctricos:








Gran período de operación.
Capacidad de manejar altos valores de corriente.
Valor de carga fácil de monitorear.
Alta eficiencia.
Gran rango de voltaje.
Gran rango de temperatura.
Ciclos de funcionamiento largos.
Facilidad de mantenimiento.
4.6.ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA.
Uno de los usos más extendidos de supercapacitores es en el uso de sistemas
microelectrónicos, memorias de computadoras, relojes y cámaras de alta
precisión. El uso de supercapacitores permite mantener el funcionamiento de
los dispositivos durante horas e incluso días. Una aplicación estudiada
ampliamente en la actualidad es el uso de supercapacitores en sistemas UPS
(sistema de energía ininterrumpible), permitiendo el aislamiento de los sistemas
UPS para el funcionamiento de sistemas eléctricos.
4.7.SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE POTENCIA.
Los supercapacitores son de gran importancia para la transferencia de energía.
Los sistemas STATCOM (Compensadores Estáticos) son dispositivos de
transmisión de corriente flexible alternante, y se utiliza para el control de los
picos de voltaje en sistemas eléctricos. Su uso permite mantener una corriente
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constante y menores picos de voltaje para facilitar la transmisión de la energía
eléctrica.
Los ultracapacitores prometen llenar la brecha entre los capacitores y baterías.
5. Futuro de Capacitores/Ultra Capacitores
Cotidianamente utilizamos baterías para alimentar nuestros dispositivos
móviles, las cuales, tardan mucho en recargarse por el rendimiento que dan.
En este terreno los capacitores poseen una gran ventaja ya que, se cargan
rápidamente pero, por contra, tienen una capacidad muy limita a la hora de
almacenar cargas eléctricas. En la actualidad, los ultracapacitores, son
capaces de almacenar grandes cantidades de energia pero, se descargan
rápidamente y, dado a los materiales utilizados su relacion peso/volumen no
han logrado reemplazar a las baterías.
Sin embargo, lo mencionado podría cambiar en algunos años. Laboratorios en
todo el mundo se encuentran desarrollando ultracapacitores compuestos por
grafeno, permitiendo unificar lo mejor de ambos mundos, gran capacidad para
almacenar energía y tiempos de caga muy reducidos.
El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos
en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo
de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77
miligramos. Posee varias propiedades entre las cuales podemos detallar las
siguientes: transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable,
buen conductor electrico, autoenfriamiento, genera energía al ser alcanzado
por la luz, bajo efecto Joule (se calienta poco al conducir los electrones), auto
reparación (cuando una lamina de grafeno recibe algún daño en su estructura,
atrae átomos de carbono de las proximidades para repararse) y soporta
temperaturas elevadas de trabajo.
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Este nuevo material, podría cambiar lo que conocemos como ultracapacitores,
algunos laboratorios han indicado que, so podrían obtener elementos sin
limitación del numero de ciclos de carga y descarga pudiendo garantizar, mas
de 10.000.000 de ciclos.
Los investigadores de ultracapacitores se encuentran motivados por las
enormes ventajas que su uso representa para la industria:
1.
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3.
4.
5.
6.
7.
8.
Gran período de operación
Capacidad de manejar altos valores de corriente
Valor de carga fácil de monitorear
Alta eficiencia
Gran rango de tensión
Gran rango de temperatura
Ciclos de funcionamiento largos
Facilidad de mantenimiento
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Algunas de las ramas de la industria que ya se encuentran trabajando con el
elemento mencionado son.
5.1.Automóviles híbridos
Por la eficiencia en el uso de la energía estos dispositivos son un elemento
prometedor para el desarrollo de medios de transporte que combinen la
energía solar con la proveniente de combustibles fósiles. Su aprovechamiento
se debe fundamentalmente a que permiten una mejor descarga de energía
durante la aceleración del vehículo. En pruebas realizadas en los nuevos
autobuses de transporte de la NASA que con el uso de condensadores se
podía acelerar a 157 pies en 10 segundos con el mínimo de pérdidas de
energía.
Un desarrollo importante es el uso de ultracapacitores para el desarrollo de la
unidad de apoyo auxiliar (APU por sus siglas en inglés). Freightliner y Delphi
demostraron su uso en sistemas automotrices de pasajeros, aunque BMW
argumenta que hay poca sensibilidad para su regulación debido a las
modificaciones hechas a la gasolina para reducir la emisión de contaminantes,
por lo que es viable instalarlos en sistemas basados en hidrógeno.
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5.2.Apoyo energético
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 ultracapacitores suministran la energía necesaria para subir el
elevador sin necesidad de sobrecargar la red eléctrica.
En aplicaciones de energía solar es necesario estabilizar la tensión
suministrado por las fotoceldas, por lo que se utilizarian ultracapacitores de
2400 F dispuestos en paralelo para estabilizar el suministro de energía
eléctrica. De las fotoceldas generalmente se traslada la diferencia de potencial
a una válvula de regulación de descarga ácida. Actualmente se estudia la
manera de controlar la tensión a través de un banco de ultracapacitores que
permite disminuir los picos de tensión y proveer una corriente constante de
1.37 A por 45 segundos cada hora, gracias al almacenamiento de energía en el
condensador y su liberación estable en un circuito equivalente.
5.3.Almacenamiento de energía
Uno de los usos más extendidos de ultracapacitores es su uso en sistemas
microelectrónicos, memorias de computadoras, relojes y cámaras de alta
precisión. Su uso permite mantener el funcionamiento de los dispositivos
durante horas e incluso días. Una aplicación estudiada ampliamente en la
actualidad es el uso de ultracapacitores en sistemas UPS unido a sistemas de
transferencia de energía acoplados por inducción. Se utilizan para facilitar la
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transferencia de energía, hacer más eficiente la carga de energía eléctrica,
permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de
sistemas eléctricos.
5.4.Sistemas de transferencia de potencia
En el área de energía las propiedades de los ultracapacitores son de gran
importancia para la transferencia de energía. Los sistemas STATCOM
(Compensadores Estáticos) son dispositivos de la familia de los sistemas de
transmisión de corriente flexible alternante (FACTS), y se utiliza para el control
de los picos de tensión en sistemas eléctricos. Cuando se conectan con
sistemas de transferencia de potencia a elementos STATCOM, se produce una
gran inductancia que produce un incremento en la corriente y picos de tensión,
por lo que es necesario tener condensadores de gran capacitancia para
compensar este fenómeno. Su uso permite mantener una corriente constante y
menores picos de tensión para facilitar la transmisión de la energía eléctrica.
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