Universidad Anáhuac Oaxaca

Circuitos Eléctricos

“Tarea: Capacitores e Inductores”

Escuela de Ingeniería

Alumno

Daniel Sánchez Martínez

Profesor

Ing. Tomás Toledo Lagunas

Cuilápam de Guerrero, Oaxaca a 23 de Octubre de 2013

CAPACITOR ELÉCTRICO /

CONDENSADOR ELÉCTRICO

En condensador eléctrico es un dispositivo formado por dos placas metálicas separadas por un aislante llamado dieléctrico. Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente. El condensador eléctrico o capacitor eléctrico almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar

El símbolo del capacitor es: La capacidad depende de las características físicas del condensador: - Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta. - Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad - El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la capacidad. - Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada.

DIELÉCTRICO O AISLANTE DEL CONDENSADOR ELÉCTRICO

Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente, y su función es aumentar la capacitancia del capacitor. Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tiene diferentes grados de permitividad (diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico.

Mientras mayor sea la permitividad, mayor es la capacidad del condensador eléctrico.

La capacitancia de un condensador está dada por la fórmula:

C = Er x A / d

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

La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el miliFaradio (mF), microFaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio (pF)

Las principales características eléctricas de un condensador son su capacidad o capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de aguantar sin dañarse).

Tabla de materiales conforme a su permitividad relativa

NOTA: Nunca conectar un capacitor eléctrico a un voltaje superior al que puede aguantar, pues puede explotar.

Condensador electrolítico

A diferencia de los capacitores comunes, los capacitores electrolíticos se han desarrollado para lograr grandes capacidades en dimensiones físicas reducidas.

Este capacitor se logra con un dieléctrico especial. La capacidad de un capacitor tiene la siguiente fórmula:

C = EA / d

Donde: - A = superficie - d = separación de placas - E = constante dieléctrica

Si el valor de la constante dieléctrica (E) aumenta, también aumenta la capacitancia del capacitor.

Este dieléctrico es un electrolito constituido por óxido de aluminio impregnado en un papel absorbente.

Cuando se fabrica el capacitor electrolítico, se arrollan dos láminas de aluminio, separadas por un papel absorbente impregnado con el electrolito.

Después se hace circular una corriente entre las placas, con el propósito de provocar una reacción química que creará una capa de óxido de aluminio que será el dieléctrico (aislante). Ver diagrama.

Físicamente consta de un tubo de aluminio cerrado, dentro del cual se haya el capacitor. Está provisto de una válvula de seguridad que se abre en caso de que que el electrolito (de allí viene el nombre) entre en ebullición y evitando el riesgo de explosión.

El capacitor electrolítico es un elemento polarizado, por lo que sus terminales no pueden ser invertidas. Generalmente el signo de polaridad viene indicado en el cuerpo del capacitor.

El inconveniente que tienen estos capacitores es que el voltaje permitido entre sus terminales no es muy alto. Si fuera necesario cambiar este capacitor, se debe buscar uno de la misma capacidad y con un voltaje igual o mayor al del capacitor dañado, pero no se recomienda utilizar un capacitor de voltaje (dato de fabrica) muy superior al dañado pues, un capacitor que recibe un voltaje mucho menor que para la que fue diseñado, siente que no estuvo polarizado en corriente continua y la capa de óxido de aluminio disminuye hasta que el elemento falla.

Nota: Este tipo de capacitores deben de utilizarse lo antes posible después de su fabricación.

Si el período de almacenamiento antes de usarlo es muy largo, al no recibir voltaje, se empieza a dañar (se reduce la capa de óxido de aluminio). Es conveniente tomar en cuenta siempre la fecha de fabricación.

Clasificación de los Condensadores: Fijos y variables

Capacitores fijos:

Estos se diferencian entre si por el tipo de dieléctrico que utilizan. Materiales comunes son: la mica, plástico y cerámica y para los capacitores 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.

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 de capacitancia 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 capacitores tienen un tamaño mayores que los otros de cerámica. Se fabrican en valores de fracciones de picoFaradios hasta nanoFaradios.

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.

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 baja corriente 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.

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

Condensadores electrolíticos:

Estos capacitores pueden tener capacitancias muy altas a un preciorazonablemente 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 enfuentes de alimentación.

Físicamente estos elementos constan de un tubo de aluminio cerrado, en donde está el capacitor. 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

Condensadores de tantalio:

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

Capacitores variables

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 capacitor sea menor.

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.

Nota: Capacitor = Condensador

Capacitancia (Valor capacitivo)

La capacitancia es un parámetro del condensador eléctrico que indica la capacidad de almacenamiento de carga que éste tiene y su unidad es elFaradio.

Esta unidad es muy grande y para representar valores comerciales de este elemento se utilizan los submúltiplos del Faradio, como por ejemplo:

- El uF (microfaradio) - El pF (picofaradio) - El nF (nanofaradio), etc.

La siguiente tabla muestra los diferentes rangos de valores de capacitancia para algunos tipos de condensadores / capacitores, así como su tipo de dieléctrico y tensión de ruptura.

Voltaje de ruptura de un condensador eléctrico

El voltaje de ruptura es aquel voltaje máximo que se puede aplicar a los terminales del capacitor. Si se sobrepasa, el dieléctrico se puede perforar provocando un corto circuito.

Tabla de propiedades de los tipos de condensadores que existen

Bobina o inductor

Definición de bobina o inductor

La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético

El símbolo de una bobina / inductor se muestra en el gráfico anterior:

El inductor es diferente del condensador / capacitor, que almacena energía en forma de campo eléctrico

Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha (ver electromagnetismo). Al estar el inductor hecho de espiras decable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior.

Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.

Este caso se da en forma continua, cuando una bobina esta conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que circula por ella.

En otras palabras:

La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios

en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje

aplicado y es proporcional al cambio de la corriente.

Inductancia, unidades

La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se miden en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de MiliHenrios (mH). El valor depende de:

- El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). - El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios).

- La longitud del cable de que está hecha la bobina. - El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.

Aplicaciones de una bobina / inductor

- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro - En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida - En muchos circuitos osciladores se incluye un inductor. Por ejemplo circuitos RLC serie o paralelo.

Notas: Bobina = Inductor

¿Qué es un inductor?

Es un inductor de la realización de una bobina, envuelto alrededor de un núcleo,que crea inductancia cuando una corriente alterna fluye a través de ella. Inductoresse utilizan para impedir el flujo de corriente en un circuito. El conductor suele ser alambre delgado imán, y el núcleo suele ser el aire o el acero.

Trabajo de un inductor

Cuando la corriente alterna fluye a través de un inductor, se crea un campoelectromagnético. La fuerza de este campo depende del número de espiras,diámetro de la bobina y la permeabilidad de los materiales básicos. De acero tieneuna permeabilidad mucho mayor que el aire y produce un fuerte campo. Como losactuales cambios de dirección, el campo también experimenta un cambio y lascausas de un flujo de corriente inducida en la dirección opuesta y obstaculizar elflujo de la corriente.

Tipos de Inductores

Hay tres tipos de inductores: fijo, ajustable y variable. Ajustable inductores tienenvarios puntos con diferentes inductancia, mientras que la variable inductores tienenpartes móviles que permiten un mayor control sobre la inductancia. Inductanciastambién se pueden definir por sus corazones. En general, los principales inductoresde aire se utilizan para frecuencias más altas, lo que saturar un núcleo sólido.

Aplicaciones de un inductor

Inductores se utilizan como protectores de bloque fuerte, porque los cambiosactuales. Se utilizan como filtros de línea telefónica, para eliminar las señales dealta frecuencia de banda ancha y se colocan en los extremos de los cables de señal para reducir el ruido. Inductores y capacitores se utilizan en circuitos de audiopara filtrar o amplificar frecuencias específicas. Son pequeñas bobinas inductoresque bloquean la corriente alterna y se utilizan para reducir las interferenciaseléctricas y de radio. Básico transformador está a tan solo dos inductores herida entorno a un gran núcleo de acero. Sus campos magnéticos se acoplan, ya que elcentro les obliga a fluir a través de ambas bobinas. Cuando una corriente alterna delas corrientes en una bobina, se induce una corriente alterna en la otra bobina.

Partes de un inductor

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.

Tipos de bobinas

Solenoide

• Se utiliza en frecuencias elevadas. • Pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie.

Bobina de ferrita

• Valores de inductancia bastantes altos. • En radio permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.

Bobina de ferrita de nido de abeja

• Se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. • Gracias a su forma se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo

Bobinas con núcleo toroidal

• 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.

Bobinas grabadas sobre el cobre

• Su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo.

Comparación de los diferentes tipos de inductores que existen

Tipo Formato Valores típicos Aplicaciones

Solenoides:

núcleo de aire

núcleo de ferrita

1nH a 15mH generales, filtros,

convertidores DC/DC

Toroides

1uH a 30mH para filtrar transitorios

Encapsulados o moldeados

0.1uH a 1mH osciladores y filtros

Chips

1nH a 1mH aplicaciones generales

Ajustables

1nH a 7mH osciladores y circuitos de RF como

transmisores y receptores