CONDENSADOR

un condensador es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de superficies conductoras  generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separadas por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).

CONDENSADORES EN CIRCUITOS

Condensadores en C.C.

Este dispositivo esta complementado como dos placas separadas por un material aislante (comúnmente de poliéster o electrolítico) cuya finalidad practica es acumular cargas eléctricas. En un circuito complementado en corriente continua se puede entender un condensador como UN INTERRUPTOR ABIERTO es decir no deja pasar corriente (por lo que no hay presencia de intensidad) sin embargo esta la presencia de voltaje debido a que en el condensador posee reactancia (resistencia u oposición, dada por la función 1:(2πfC))

Condensadores en A.C.

En este caso, sucede todo lo contrario: EL CONDENSADOR DEJA PASAR CORRIENTE, Y TAMBIEN ESTA LA PRESENCIA DE VOLTAJE, todo debido al efecto que tiene la corriente alterna en el elemento. Los condensadores se utilizan en la practica para “Adelantar corriente y atrasar voltaje”, dependiendo para así mejorar el factor de potencia (cosθ) (EJ: en motores esta la presencia de inductancia, que tienen la desventaja de atrasar la corriente, para mejorara esa situación comúnmente se acopla en paralelo un condensador para adelantar corriente, para que así el motor no este atrasado ni adelantado)

Comportamiento en corriente continuaUn condensador real en DC se comporta prácticamente como uno ideal, es decir, como un circuito abierto. Esto es así en régimen permanente ya que en régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con condensador, suceden fenómenos eléctricos transitorios que inciden sobre la d.d.p. en sus bornes.

El capacitor es fabricado de muchas formas y materiales, pero sin importar como haya sido construido, siempre es un dispositivo con dos placas separadas por un material aislante.

Si se conecta una batería a un capacitor, circulará por él una corriente continua. Circula una corriente de los terminales de la fuente hacia las placas del capacitor

El terminal positivo de la fuente saca electrones de la placa superior y la carga positivamente.

El terminal negativo llena de electrones la placa inferior y la carga negativamente.

Ver en el diagrama: el flujo de electrones cargando las placas del capacitor.

Esta situación se mantiene hasta que el flujo de electrones se detiene  (la corrientedeja de circular) comportándose el capacitor como un circuito abierto para la corriente continua. (no permite el paso de corriente)

Normalmente se dice que un capacitor no permite el paso de la corriente continua.

La corriente que circula y que se comenta en anteriores párrafos es una corriente que varía en el tiempo (corriente que si puede atravesar un capacitor), desde un valor máximo a un valor de 0 amperios, momento en que ya no hay circulación de corriente. Esto sucede en un tiempo muy breve y se llama "transitorio"

A la cantidad de carga que es capaz de almacenar un capacitor se le llama "capacitancia" o "capacidad"

El valor de la capacitancia depende de las características físicas del capacitor.

- A mayor área de las placas, mayor capacitancia- A menor separación entre las placas, mayor capacitancia- El tipo de dieléctrico o aislante que se utilice entre las placas afecta el valor de la capacitancia

El aislante o dieléctrico tiene el objetivo de aumentar el valor de la capacitancia del capacitor.

Cuando se coloca un dieléctrico, este adquiere por conducción una carga opuesta a la carga de las placas, disminuyendo la carga neta del dispositivo y así permite la llegada de más cargas a las placas

Hay diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos, con diferentes grados de permitividad (diferentes grados de capacidad de stablecimiento de un campo eléctrico).

A mayor permitividad, mayor es la capacidad que permite obtener el dieléctrico

La capacidad de calcula con la fórmula: C = ( Er x A ) / d.

Donde:- C = capacidad- Er = permitividad- A = área de placas- d = separación entre placas

La unidad de medida del capacitor / condensador es el Faradio, pero esta unidad es grande y es más común utilizar el milifaradio (mF), el microfaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoaradio (pF). Ver definición de unidades comunes

Las principales características eléctricas de un capacitor son su capacidad y su máximo voltaje entre placas.

Hay dos tipos de capacitores:

- Capacitores Fijos: Los de papel, plástico, cerámica y los electrolíticos- Capacitores variables: los giratorios y los de ajuste (Trimmer)

Corriente alterna en circuitos capacitivos

A diferencia en del comportamiento de un capacitor con la corriente continua (donde no hay paso de corriente), el paso de la corriente alterna por el capacitor si ocurre.

Otra característica del paso de una corriente alterna en un capacitor es que el voltaje que aparece en los terminales del mismo está desfasado o corrido 90° hacia atrás con respecto a la corriente que lo atraviesa.

Este desfase entre el voltaje y la corriente se debe a que el capacitor se opone a los cambios bruscos de voltaje entre sus terminales.

PARTES

capacitor de placas paralelas, con laminas metálicas y como material aislante el aire.Debido al material aislante las cargas no se pueden desplazar de un material conductor a otro, es así que se almacenan en las partes conductoras del capacitor y al ser conectado el dispositivo, se descargan por sus terminales...

El tipo de capacitor más sencillo es el conformado por dos placas paralelas,La capacitancia es la propiedad de almacenar energía en forma de carga o campo eléctrico, es proporcional a la constante dieléctrica del material entre las placas y al área transversal del material conductor que conforman el capacitor, e inversamente proporcional a la distancia que separa las partes conductoras

TIPOS

Capacitores fijos:

Estos se diferencian entre si por el tipo de dieléctrico que utilizan. Materiales comunes son: la mica, plástico y cerámica y para loscapacitores electrolíticos, óxido de aluminio y de tantalio.

Hay de diseño tubular, y de varias placas y dieléctrico intercalados. El diseño de múltiples placas es un diseño para aumentar el área efectiva de la placa.

Entre placa y placa se coloca el aislante y se hace una conexión de placa de de por medio, como si fueran capacitores en paralelo. (verdiagrama).

1 - Condensadores de cerámica

Son capacitores en donde las inductancias parásitas y las pérdidas son casi nulas. La constante dieléctrica de estos elementos es muy alta (de 1000 a 10,000 veces la del aire)

- Algunos tipos de cerámica permiten una alta permitividad y se alcanza altos valores decapacitancia en tamaños pequeños, pero tienen el inconveniente que son muy sensibles a la temperatura y a las variaciones de voltaje.

- Hay otros tipos de cerámica que tienen un valor de permitividad menor, pero que su sensibilidad a la temperatura, voltaje y el tiempo es despreciable. Estos capacitorestienen un tamaño mayores que los otros de cerámica. Se fabrican en valores de fracciones de picoFaradios hasta nanoFaradios.

2 - Condensadores de lámina de plástico

- Láminas de plástico y láminas metálicas intercaladas: Estos tipos de capacitores son generalmente más grandes que los de lámina metalizada, pero tienen una capacitancia más estable y mejor aislamiento.- Lámina metalizada: Tiene la lámina metálica depositada directamente en la lámina de plástico. Estos capacitores tienen la cualidad de protegerse a si mismos contra sobre voltajes. Cuando esto ocurre aparece un arco de corriente que evapora el metal eliminando el defecto.

Capacitor tubular

3 - Condensadores de mica:

Capacitores que consisten de hojas de mica y aluminio colocados de manera alternada y protegidos por un plástico moldeado.

Son de costo elevado. Tiene bajacorriente de fuga (corriente que pierden los condensadores y que hacen que este pierda su carga con el tiempo) y alta estabilidad. Su rango de valores de va de los pF a 0.1 uF.

4 -Capacitores de poliester:

Sustituyen a los capacitores de papel, solo que el dieléctrico es el poliéster. Se crearon capacitores de poliéster metalizado con el fin de reducir las dimensiones físicas. Ventajas: muy poca pérdida y excelente factor de potencia

5 - Condensadores electrolíticos:

Estos capacitores pueden tener capacitancias muy altas a un precio razonablemente bajo. Tienen el inconveniente de que tienen alta corriente de fuga y un voltaje de ruptura bajo.

Son polarizados y hay que tener cuidado a hora de conectarlos pues pueden estallar si se conectan con la polaridad invertida. Se utilizan principalmente en fuentes de alimentación.

Físicamente estos elementos constan de un tubo de aluminio cerrado, en donde está elcapacitor. Tienen una válvula de seguridad que se abre en el caso de que el electrolito entre en ebullición, evitando así el riesgo de explosión. Ver capacitor electrolítico

6 - Condensadores de tantalio:

Son polarizados por lo que hay que tener cuidado a la hora de conectarlo.

Capacitores variables

1 - Capacitores variables giratorios:

Muy utilizado para la sintonía de aparatos de radio. La idea de estos es variar con la ayuda de un eje (que mueve las placas del capacitor) el área efectiva de las placas que están frente a frente y de esta manera se varía la capacitancia. Estos capacitores se fabrican con dieléctrico de aire, pero para reducir la separación entre las placas y aumentar la constante dieléctrica se utiliza plástico. Esto hace que el tamaño del capacitorsea menor.

2 - Capacitores ajustables "trimmer":

Se utiliza para ajustes finos, en rangos de capacitancias muy pequeños. Normalmente éstos, después de haberse hecho el ajuste, no se vuelven a tocar. Su capacidad puede variar entre 3 y 100 picoFaradios.  Hay trimmers de presión, disco, tubular, de placas.

Bobinabobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

Bobinas en C.C.

Una bobina es un elemento compuesto principalmente de alambre enrollado sobre un elemento inductor (comúnmente fierro), capaz de crear un campo magnético con el propósito de inducir sobre algo (prácticamente en motores). Una bobina en corriente continua actúa diferente que un condensador, es decir deja pasar corriente (ya que las bobinas son realmente cables enrollados que solo conducen), sin embargo no posee voltaje debido a que las bobinas en CC ACTUAN COMO UN CORTO CIRCUITO (se unen los polos positivo y negativo sin tener una carga). Para sacar la reactancia en las bobinas se usa la formula 2πfI

Bobinas en A.C.

Cuando las bobinas son sometidas a corriente con frecuencia (A.C.), cumplen su función de inductancia, con esto ADEMAS DE POSEER CORRIENTE ESTA LA PRESENCIA DE VOLTAJE, debido al efecto de frecuencia. Las bobinas se utilizan el la practica para “Adelantar voltaje y retrasar

corriente” dependiendo de cómo se utiliza para mejorar el factor de potencia cosθ.

Comportamiento en corriente continua

Bobinas en DC:

Cuando conectamos una bobina a una fuente de DC, solamente se produce el efecto de la resistencia ofrecida por el alambre con que está fabricada, pero con una pequeña diferencia con respecto a un circuito puramente resistivo.

Cuando aplicamos el voltaje a un circuito resistivo, la corriente toma inmediatamente su valor máximo cuando se cierra el circuito. En cambio, en un circuito inductivo (debido a que posee un inductor), la corriente se tarda un determinado tiempo para llegar al valor máximo.

A este tiempo se le llama constante de tiempo inductivo y depende de la inductancia en henrios de la bobina y de su resistencia.

Para calcularla, podemos utilizar la siguiente fórmula:

t = L / R

Donde:

t = Constante de tiempo en segundos

L = Inductancia de la bobina en Henrios

R = Resistencia de la bobina en Ohmios

Cuando en una bobina se desconecta un voltaje de DC, la corriente no cesa inmediatamente. El campomagnético de la bobina, al reducirse rápidamente, genera una corriente en los terminales de la bobina, que aparece durante unos instantes después de haberle quitado la alimentación. Por esta razón se dice que las bobinas almacenan corriente, así como los condensadores almacenan voltaje o diferencia de potencial.

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Una bobina ideal en corriente continua se comporta como un cortocircuito (conductor ideal), ya que

al ser i(t) constante, es decir, no varía con el tiempo, no hay autoinducción de ninguna f.e.m.

Una bobina real en régimen permanente se comporta como una resistencia cuyo valor RL (figura

5a) será el de su devanado.

En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden

fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente

Comportamiento en corriente alterna

Bobinas en AC:

Cuando aplicamos un voltaje de corriente alterna a una bobina, se producirá en ella un campo magnético que está variando continuamente. Por lo tanto, debido al fenómeno de la autoinducción, existirá también unvoltaje contrario inducido permanentemente en oposición a la corriente alterna principal.

Esta oposición que ofrece una bobina a los voltajes de corriente alterna se llama reactancia inductiva. La reactancia inductiva se representa por las letras XL y se mide en Ohmios. La reactancia inductiva depende de la frecuencia de la señal o voltaje alterno y de la inductancia de la bobina.

La formula para encontrar la reactancia inductiva es la siguiente:

XL = 6.28 * F * L

Donde:

XL = Reactancia inductiva en Ohmios

F = Frecuencia en Hertzios o ciclos por segundo

L = Inductancia de la bobina, en Henrios

El fenómeno de la reactancia inductiva, y su dependencia de la frecuencia, es fundamental para el funcionamiento de los circuitos de radio.

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Figura 3. Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en una bobina.

Figura 4. Diagrama fasorial.

En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica que

recibe el nombre de reactancia inductiva, XL, 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.

Al conectar una CA senoidal v (t) a una bobina aparecerá una corriente i (t), también senoidal,

esto es, variable, por lo que, como se comentó más arriba, aparecerá una fuerza

contraelectromotriz, -e (t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v (t). Por

tanto, cuando la corriente i (t) aumenta, e (t) disminuye para dificultar dicho aumento;

análogamente, cuando i (t) disminuye, e (t) aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto

puede apreciarse en el diagrama de la figura 3. Entre 0º y 90º la curva i (t) es negativa,

disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e (t) va

aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90º y 180º, la corriente aumenta

desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e (t) disminuye hasta ser cero. Desde

180º hasta los 360º el razonamiento es similar al anterior.

Dado que la tensión aplicada, v (t) es igual a -e (t), o lo que es lo mismo, está desfasada 180º

respecto de e (t), resulta que la corriente i (t) queda retrasada 90º respecto de la tensión

aplicada. Consideremos por lo tanto, una bobina L, como la de la figura 2, a la que se aplica

una tensión alterna de valor:

Figura 5.: Circuitos equivalentes de una bobina real en CC, a), y en CA, b) y c).

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, retrasada 90º (π / 2)

respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor:

donde  . Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en

forma polar:

Y operando matemáticamente:

Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se puede asimilar a

una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria positiva:

En la bobina real, habrá que tener en cuenta la resistencia de su

bobinado, RL, pudiendo ser su circuito equivalente o modelo, el que

aparece en la figura 5b) o 5c) dependiendo del tipo de bobina o

frecuencia de funcionamiento, aunque para análisis más precisos

pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores.

Partes

Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.

Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.

Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.

Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.

Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.

TIPOS DE BOBINAS

1. 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 ferritaBobina 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. La bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de

vista practico 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.

2. 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.

Formulas

Carga de un condensador

Considérese el circuito en serie de la figura. Inicialmente el condensador está descargado. Si se cierra el interruptor I la carga empieza a fluir produciendo corriente en el circuito, el condensador se empieza a cargar. Una vez que el condensador adquiere la carga máxima, la corriente cesa en el circuito.

En el circuito de la figura tendremos que la suma

Vab+Vbc+Vca=0

El extremo a tiene un potencial mayor que el extremo b de la resistencia R ya que la corriente fluye de a a b. De acuerdo a la ley de Ohm Vab=iR

La placa positiva del condensador b tiene mayor potencial que la placa negativa c, de modo que Vbc=q/C.

El terminal positivo de la batería a tiene mayor potencial que el terminal negativo c, de modo que Vca=-V , donde V es la fem de la batería

La ecuación del circuito es

iR+q/C-V =0

Teniendo en cuenta que la intensidad se define como la carga que atraviesa la sección del circuito en la unidad de tiempo, i=dq/dt, tendremos la siguiente ecuación para integrar

Derivando con respecto al tiempo, obtenemos la intensidad en función del tiempo

La carga tiende hacia un valor máximo C·V al cabo de un cierto tiempo, teóricamente infinito.

La intensidad disminuye exponencialmente con el tiempo, hasta que se hace cero cuando el condensador adquiere la carga máxima.

La cantidad RC que aparece en el denominador de t se denomina constante de tiempo del circuito. Este representa el tiempo que tomará a la corriente para decrecer hasta 1/e de su valor inicial.

Un tubo-capilar alimentado por un flujo constante producido por un frasco de Mariotte es la analogía hidráulica de la carga de un condensador.

Balance energético

La energía aportada por la batería hasta el instante t es

La energía disipada en la resistencia hasta el instante t es

La energía almacenada en el condensador en forma de campo eléctrico es

Comprobamos que Eb=ER+EC. Parte de la energía suministrada en la batería se disipa en la resistencia, y otra parte se acumula en el condensador.

Cuando se completa el proceso de carga t→∞, la mitad de la energía suministrad por la batería se disipa en la resistencia y la otra mitad se acumula en el condensador.

Ejemplo:

Sea un condensador de capacidad C=1.5 F en serie con una resistencia de R=58 ky una batería de Vє=30 V. Empecemos a contar el tiempo cuando se cierra el interruptor. En el instante t=60 ms

La carga del condensador es

La intensidad es

La energía suministrada por la batería es

La energía disipada en la resistencia es

La energía acumulada en el condensador es

Cuando se completa el proceso de carga t→∞,

La carga del condensador es

q=CVє=1.5·10-6·30=45μC

La energía suministrada por la batería es

Eb=13.5·10-4 J

La energía acumulada en el condensador es

Ec=6.75·10-4 J

La energía total disipada en la resistencia es

ER=6.75·10-4 J

Descarga de un condensador

Consideremos ahora el circuito que consta de un condensador, inicialmente cargado con carga Q, y una resistencia R, y se cierra el interruptor I.

La ecuación del circuito será la siguiente.

Vab+Vba=0

Como la corriente va de a hacia b, el potencial de a es más alto que el potencial de b. Por la ley de Ohm Vab=iR.

En el condensador la placa positiva a tiene más potencial que la negativa b, de modo que Vba=-q/C.

La ecuación del circuito es

iR-q/C=0

Como la carga disminuye con el tiempo i=-dq/dt. La ecuación a integrar es

La carga del condensador disminuye exponencialmente con el tiempo. Derivando con respecto del tiempo, obtenemos la intensidad, en el sentido indicado en la figura.

que disminuye exponencialmente con el tiempo.

La descarga tubo-capilar es la analogía hidráulica de la descarga del condensador.

Balance energético

La energía inicial del condensador es

La energía disipada en la resistencia hasta el instante t es

La energía almacenada en el condensador en forma de campo eléctrico en el instante t es

Comprobamos que Ec=E0-ER. La energía en el condensador se disipa en la resistencia. Cuando se completa el proceso de descarga t→∞, toda la energía almacenada en el condensador se ha disipado en la resistencia

Ejemplo:

Sea un condensador de capacidad C=1.5 F en serie con una resistencia de R=58 kcargado inicialmente con Q=45μC. Empecemos a contar el tiempo cuando se cierra el interruptor. En el instante t=60 ms

La carga del condensador es

La intensidad es

La energía almacenada inicialmente en el condensador es

La energía disipada en la resistencia es

La energía acumulada en el condensador es