U n i v e r s i d a d F e r m í n T o r o

I n g e n i e r í a E l é c t r i c a

S e m e s t r e 2 0 1 4 / 0 4

C i r c u i t o s E l é c t r i c o s I

P r o f . J o s é M o r i l l o

Thomas Turkington C.I. 20488982

Investigación:

Uso de los

Condensadores y

Bobinas en el

campo de la

Ingeniería

INTRODUCCIÓN

El concepto de Inductancia y Capacitancia es muy importante en el campo de los Circuitos

Eléctricos, ya que aparte de otros elementos pasivos como los resistores, los inductores (o

bobinas) y capacitores son utilizados en una gran cantidad de aplicaciones de diversa índole. El

funcionamiento principal de los inductores es oponerse a cualquier cambio en la corriente,

mientras que los capacitores se oponen a cualquier cambio en el voltaje. En cuanto al

almacenamiento de energía, los inductores lo hacen en su campo magnético y los capacitores en

su campo eléctrico.

CAPACITORES

Un capacitor es compuesto básicamente de dos conductores separados por un aislante. A un

conductor se aplica el terminal negativo de la fuente y al otro conductor se le aplica el terminal

positivo de la fuente. Al conectar el capacitor a la batería, los electrones en el alambre conectado

a la terminal negativa de la batería se mueven hacia el conductor, dándole una carga negativa.

Los electrones en el conductor conectado a la terminal positiva salen del conductor, dándole una

carga positiva. De esta manera se almacena la carga en el capacitor. Si se conectan ambos

conductores después de haber cargado el capacitor, la carga se moverá entre los conductores y se

descargará el capacitor.

Los condensadores se utilizan en una gran cantidad de aplicaciones, para cada una de ellas son

diseñados con distinta geometría, ya sea de placas paralelas, cilíndricos concéntricos, o esféricos

concéntricos, entre otros. En algunos tipos se inserta un material dieléctrico entre los

conductores, lo cual aumenta la capacitancia del mismo.

APLICACIONES

A continuación se resumen algunas de las aplicaciones de los capacitores.

MOTORES ELÉCTRICOS MONOFÁSICOS

Los capacitores denominados “capacitores de arranque” se utilizan para mejorar el arranque de

los motores monofásicos. Estos motores sólo cuentan con una fase y un devanado principal, de

modo que no es posible hacer girar al rotor por medio de la inducción electromagnética. Para

esto es necesario un devanado auxiliar, el cual provoca un desfasamiento eléctrico y físico que

permite impulsar al rotor. El capacitor de arranque hace este desfasamiento aun mayor

mejorando notablemente el par.

El capacitor de marcha es usado en los motores para mejorar su eficiencia, disminuir la corriente

de operación, disminuir el ruido y mejorar el factor de potencia. Es importante resaltar que no se

debe alterar el valor de la capacitancia especificada de los capacitores y, muy en particular la del

capacitor de marcha, ya que colocar un capacitor con un valor de capacitancia por encima o por

debajo de la especificada, en ambos casos causan una elevación en el consumo de corriente y con

seguridad provocará un sobrecalentamiento del motor.

DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN UNIDADES DE DESTELLO

ELECTRÓNICAS,

En laboratorios científicos donde se necesita una muy gran cantidad de energía en unos instantes

para hacer usada en aceleradores de partículas o equipos semejantes, la energía de la compañía

eléctrica no es suficiente para ello. En estos casos se utilizan bancos de capacitores, donde se

almacena la energía en una gran cantidad de capacitores para ser utilizada en el instante

requerido.

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.

Banco de Capacitores en

Laboratorios FermiLab, Estados

Unidos

Capacitor de Arranque conectado

a un Motor Monofásico

Acelerador de Partículas de Laboratorios Fenilo, Estados

Unidos. Aquí se utiliza la energía del banco de capacitores.

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 presión, tensión y

aceleración. También se usan en sistemas microelectromecánicos

(MEMs, MicroElectroMechanical Systems) con dispositivos cuyo tamaño es del orden de 0.01

mm.

SINTONIZADORES DE FRECUENCIA

En receptores de radio, TV, etcétera, se utilizan los condensadores variables para igualar la

impedancia en los sintonizadores de las antenas y fijar la frecuencia de resonancia para

sintonizar la radio.

Ejemplos de Sensores y Transductores

Ejemplo de Capacitor Variable

COMPUTADORES

Los circuitos digitales en las computadoras transportan pulsos electrónicos a altas velocidades.

Estos pulsos en un circuito pueden interferir con las señales de un circuito lindante, por lo cual

los diseñadores de computadoras incluyen capacitores para minimizar la interferencia. A pesar

de que son más pequeños que los usados en los suministros de energía, realizas la misma función

básica: absorber el ruido eléctrico que se pierde

FUENTES DE ALIMENTACIÓN

En las fuentes de alimentación (de corriente y/o de voltaje), los capacitores se utilizan para

eliminar ("filtrar") el rizado o ripple remanente de la conversión de corriente alterna (AC) en

continua (DC) realizada por un circuito rectificador.

OSCILADORES

Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente

alterna a una determinada frecuencia. El funcionamiento es en base al principio de oscilación

natural que constituyen una bobina y un condensador.

EL FLASH DE LAS CÁMARAS FOTOGRÁFICAS

Los brillantes flash de las cámaras usados para tomar fotografías con baja luz vienen de una

lámpara de xenón. Un pulso de alto voltaje enciende la lámpara por unas pocas milésimas de

segundo, el tiempo suficiente para iluminar un cuarto. Para obtener un alto voltaje a partir de la

batería de la cámara, que produce sólo pocos voltios, un circuito "bombea" cargas eléctricas en el

capacitor. El voltaje se acumula en el capacitor hasta que tiene suficiente luz como para la

lámpara de xenón. Cuando la cámara hace el flash, envía la electricidad del capacitor a la

lámpara. Esto vacía el capacitor, que la cámara recarga para otra imagen.

El alto voltaje para el Flash de una Cámara

Fotográfica viene de un capacitor.

TUBOS FLUORESCENTES.

A menudo se intercala entre los terminales de entrada de un tubo fluorescente un condensador

que tiene la finalidad de permitir que el factor de potencia del dispositivo sea cercano a 1. A este

tipo de compensación se le denomina «compensación en paralelo» debido a este arreglo.

COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA.

El factor de potencia es el indicador utilizado para medir la eficiencia eléctrica, siendo el valor

de 1 (100%) el óptimo. Cuando el indicador de potencia posee un valor de 1, significa que toda

la energía se convierte en trabajo. Si el factor de potencia es menor a 0.9 las empresas eléctricas

pueden aplicar multas. Cualquier instalación residencial, comercial, o industrial en la cual

existan algún tipo de motores eléctricos, (bombas de agua, elevadores, compresores, etc.),

pueden presentar necesidades de contar con bancos de capacitores para corregir el factor de

potencia y evitar las penalizaciones de las empresas eléctricas

CIRCUITOS DE AUDIO

Los capacitores tienen muchos usos en los equipos de audio. Bloquean la corriente continua de

las entradas de los amplificadores, previniendo un repentino ruido sordo o estampido que podría

dañar los parlantes y el oído humano. Los capacitores usados en los filtros de audio te permiten

controlar la respuesta de los bajos, los rangos medios y el sobreagudo. Los instrumentos

musicales como los órganos usan capacitores de Mylar o de poliestireno para crear tonos

musicales.

Diagrama de la conexión de un tubo fluorescente con

un capacitor, y un balastro (inductor).

DESFILIBRADORES

El desfibrilador es un aparato que se usa para reanimar enfermos en situaciones de emergencia

cardíaca. El desfibrilador usa un condensador que puede almacenar 360J y entregar esta energía

al paciente en 2ms.

INDUCTORES

Un inductor funciona de acuerdo al fenómeno de la autoinducción, almacenando energía en

forma de campo magnético.

Está constituido normalmente por una bobina o enrollado de conductor, típicamente alambre o

hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material

ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad de magnetismo. Si se

aplica una corriente a la bobina que aumenta o disminuye con el tiempo, conforme cambia esta

corriente, el flujo magnético a través de la bobina también cambia e induce una fuerza

Ejemplo de un circuito de audio

que contiene capacitores

Ejemplo del uso de un

desfilibrador

electromotriz en la bobina. De acuerdo a la ley de Lenz, la polaridad de este voltaje se opone al

cambio en el campo magnético de la corriente de la fuente. Por tanto, la bobina provoca que el

circuito se vuelva “perezoso” conforme reacciona a los cambios en la corriente.

APLICACIONES

Se consideran algunas aplicaciones de los inductores:

ELECTROIMÁNES

El Electroimán constituye un uso directo del concepto de las bobinas. Un electroimán es un tipo

particular de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente

eléctrica, desapareciendo el campo en cuanto cesa dicha corriente. Tal efecto se consigue

mediante el contacto de dos metales; uno en estado neutro y otro formado por un cable enrollado

sobre el primero y atravesado por dicha corriente. Son componentes principales en los motores

eléctricos, en los muchos interruptores eléctricos en los frenos y embragues electromagnéticos de

los automóviles, (de todos estos hablaremos mas luego), en tubos de rayos catódicos, en

espectrómetros de masas. Se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados

bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales en chatarrerías y centro de

reciclado Los trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar

las vías sobre las que circulan. Existen infinidades de usos de los electroimanes. Aunque estos

son de distintos tamaños, materiales, geometría, potencia, etc., todos funcionan bajo el mismo

principio básico.

Fun cionamiento básico de un

electroimán.

Pesadas láminas de acero sostenidas por poderosos

electroimanes

TRANSFORMADORES

Un transformador es una máquina estática de corriente alterna, que permite variar alguna

función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia,

en el caso de un transformador ideal. Está constituido por dos bobinas de material conductor,

devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí

eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que

se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas

apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o

devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del

sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en

este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

MOTORES ELÉCTRICOS/ GENERADORES ELÉCTRICOS

Los generadores transforman energía mecánica en energía eléctrica, y los motores transforman

energía eléctrica en energía mecánica. Esto sucede gracias a la interacción de los dos elementos

principales que los componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se denomina

estator. En los motores se transforma energía eléctrica en movimiento rotatorio de un eje

mediante campos magnéticos generados por bobinas. Y a la inversa, en los generadores el

movimiento rotatorio de un eje genera energía eléctrica en las bobinas al hacer pasar un campo

magnético a través de las mismas.

Un transformador bifásico de 37.5 KVA

TUBOS FLUORESCENTES.

El funcionamiento básico de los tubos fluorescentes depende de un elemento inductor adicional

que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro. El balastro es una bobina que se

encarga de mantener un flujo de corriente estable en la lámpara.

FILTROS

En las fuentes de alimentación se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna, de

manera que se obtiene solamente corriente continua en la salida.

FUENTES RECTIFICADORAS

Las bobinas integran los circuitos de filtrado para salidas de fuentes rectificadoras tanto

pequeñas como de potencia.

Componentes básicos de un motor o generador

eléctrico. En los motores, el bobinado crea un campo

magnético que impulsa el rotor. En los generadores,

la rotación del eje hace pasar un campo magnético

por el bobinado, lo cual genera energía eléctrica.

Ejemplo de un balastro electrónico utilizado para

tubos fluorescentes.

BOBINAS DE RF

Los inductores utilizados par alta frecuencia son llamados bobinas de choque de RF o bobinas de

RF. Como la radio fue uno de los usos populares de las bobinas de alta frecuencia, se conocen

como bobinas de radiofrecuencia o RF. Son muy útiles en los televisores, así como en muchos

otros aparatos, actuando como filtros. Las bobinas de RF usados en circuitos de radio son

diseñados tanto para uso en radiofrecuencia como en audiofrecuencia.

TIMBRES

En un timbre, existe una bobina por la que circula una corriente alterna que genera un campo

magnético, el cual hace moverse alternativamente una paleta que golpea la campana de un lado a

otro.

Funcionamiento básico de un timbre

Ejemplos de bobinas RF

ELECTROVÁLVULAS

Una bobina de tipo solenoide abre o cierra mediante atracción magnética una válvula que

controla el paso de un fluido. Típicamente la válvula se mantiene cerrada por la acción de un muelle, al aplicar corriente al solenoide la abre venciendo la fuerza del muelle y dejando pasar el fluido.

RELÉS/CONTACTORES

Esos son interruptores que son controlados eléctricamente. Básicamente, su funcionamiento

depende de una bobina por la que circula una corriente; ésta genera un campo magnético que

mueve un elemento ferromagnético el cual a su vez abre o cierra un interruptor eléctrico. Los

Relés y Contactores están presentes en todos los automatismos eléctricos.

Ejemplo de una electroválvula.

Un transformador bifásico de 37.5 KVA

Ejemplo de un relé Ejemplo de un contactor

SENSORES INDUCTIVOS

En un sensor inductivo, una bobina detecta el paso de un elemento ferromagnético por sus

proximidades generando una tensión eléctrica en sus extremos. Son muy usados en automóviles

y en todo tipo de maquinaria ya que al no tener partes móviles no sufren desgastes.

INTERRUPTOR DIFERENCIAL

Consiste de dos bobinas colocadas en serie, estas producen un campo magnético opuesto. Si la

corriente que circula por las bobinas no es igual (lo cual detecta una fuga de corriente en el

circuito) las fuerzas se descompensan y se abre el interruptor.

FRENOS ELÉCTRICOS VEHICULARES

Para su fabricación se emplean unas bobinas que se instalan entre dos discos solidarios con el eje

de la transmisión del vehículo. Estas bobinas crean un campo magnético fijo, y es el movimiento

de los rotores, lo que produce la variación de velocidad, ya que a mayor velocidad de giro, mayor

Funcionamiento de un sensor inductivo. Utilizando

el campo magnético creado por la bobina se detecta

la presencia de un metal.

es la fuerza de frenado generada por el campo electromagnético que atraviesa los discos rotores.

Son utilizados en camiones, autobuses, o trenes.

BOBINAS DE IGNICIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN

Estas son formadas por dos bobinas, su función es muy similar al de un transformador. Es el

elemento encargado de generar la alta tensión con la cual se va a alimentar a la bujías en los

motores de combustión.

Fuentes:

http://www.odisagt.com/index.php?showPage=170

http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Campo-electrico/Electrico11.htm

http://www.ehowenespanol.com/

http://es.wikipedia.org/

http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/funcionamiento-de-los-

transformadores

http://www.elementosmagneticos.com/content/aplicaciones -de-las-bobinas-electromagn%C3%A9ticas_lang-es