Daniel Ulloa EDI Electrónica Industrial 16/04/2012

Transcripción

1 Índice General Capacitor... 2 I. Partes de un capacitor... 2 II. Capacitancia... 2 III. Material Dieléctrico... 4 Polarización Eléctrica... 4 Constante dieléctrica... 4 IV. Tipos de capacitores... 5 Capacitores Fijos... 5 Capacitores Variables... 7 V. Tolerancia de Capacitores... 8 VI. Corriente de Fuga... 9 Medición de Corriente de Fuga... 9 VII. ESR... 9 Medición de ESR VIII. Simbología de Capacitores IX. Comportamiento en Corriente Continua X. Comportamiento en Corriente Alterna XI. Carga y Descarga de un Capacitor XII. Asociación de capacitores Serie Paralelo Bobinas I. Autoinducción II. Ley de Faraday III. Efecto de Autoinducción Coeficiente de autoinducción IV. Inductancia de una bobina V. Simbología de Bobinas Permeabilidad Magnética VI. Comportamiento en Corriente Continua VII. Comportamiento en Corriente Alterna VIII. Tensiones inducidas en la conexión-desconexión IX. Asociación de Bobinas Serie Paralelo Bibliografía... 23

2 Capacitor Es un dispositivo capaz de almacenar energía en forma de un campo eléctrico. La habilidad de los capacitores para almacenar energía se conoce como capacitancia o capacidad, y es la cantidad de cargas eléctricas que puede almacenar. I. Partes de un capacitor Las partes que componen un capacitor son: terminales o bornes, placas, material dieléctrico, aislante y encapsulado. Algunas dependen si el capacitor es polarizado o no polarizado. Partes de un capacitor no polarizado y uno polarizado II. Capacitancia La capacitancia es la capacidad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. Está determinada por la cantidad de energía eléctrica almacenada para un potencial electrico dado. Su unidad es el Faradio. La capacidad puede ser obtenida mediante la relación entre la diferencia de potencial entre las placas y la carga eléctrica almacenada en el capacitor. Q C = V Página 2 de 23

3 Donde: C: Capacidad, en Faradios Q: Carga electrica almacenada, en Coulomb V: Diferencia de potencial, en Volts Tambien podemos determinar la capacidad de un capacitor si el área de sus placas, la distancia entre placas y el material dieléctrico utilizado. La formula para determinar la capacitancia es la siguiente: C = Er * A d Donde: C: Capacitancia Er: Permitividad Relativa A: Área de la placa d: Distancia entre placas Dimensiones necesarias para calcular la capacidad de un capacitor Página 3 de 23

4 III. Material Dieléctrico El Dieléctrico a veces es confundido con los materiales aislantes, pero se diferencian de estos debido a que al ser sometidos por un campo eléctrico externo producen un campo eléctrico interno. Todos los materiales dieléctricos son aislantes, pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos. Polarización Eléctrica Es el campo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares permanentes o inducidos en un material dieléctrico. En algunas sustancias podemos encontrar moléculas llamadas moléculas polares, en las cuales las cargas eléctricas se encuentran distribuidas de forma asimétrica. En condiciones naturales, sin estar excitado por un campo eléctrico externo, un material dieléctrico posee sus moléculas polares dispersas y desordenadas. De modo que un cuerpo electrizado inducirá a que las moléculas se ordenen según la polaridad de las cargas del cuerpo externo. Ahora que estas moléculas se encuentran ordenadas producen un campo eléctrico opuesto al que lo excita. Si lo vemos desde el punto de vista de un capacitor, estaríamos aumentando el umbral para que se produzca un arco eléctrico entre las placas (ruptura dieléctrica) Las consecuencias de introducir un material dieléctrico en un capacitor son: Disminuye el campo eléctrico entre las placas del condensador. Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una relación k Vi. Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica). Aumenta la capacitancia del condensador en k veces. Constante dieléctrica Cada material dieléctrico tiene una constante dieléctrica k o permitividad relativa Er Material k Ácido acético 6,2 Agua a 20ºC 80,2 Aire Alcohol etílico 24,55 Algodón 1,3 Baquelita 4,8 Cuarzo 4,6 Diamante 5,87 Epoxy 3,6 Fluor 3 a 5 Página 4 de 23

5 Germanio 16 Mica 5,4 Neoprene 6,6 Niobato de Magnesio de Plomo Niobato de Potasio de Tantalio a 0ºC Nylon 3,5 Papel 3,3 ; 3,5 Papel encerado 3,7 Parafina 2,1 a 2,5 Pentóxido de Tantalio 27 Porcelana 6 a 8 Sal 5,9 Silicona 3,2 Teflón 2,1 Vacío 1 Vidrio 4 a 7 IV. Tipos de capacitores Los capacitores se clasifican en capacitores con capacitancia fija y capacitancia variable y a su vez en el material con el que están construidos. Capacitores Fijos Capacitores de Cerámica Estos capacitores tienen la característica de tener valores casi nulos de inductancias parasitas y perdidas o fugas de corriente. Son utilizados en circuitos que necesitan alta estabilidad y bajas perdidas en altas frecuencias. Capacitores Electrolíticos Grandes valores de capacitancia en tamaño reducido gracias a la forma en la que las placas y el dieléctrico se encuentran enrollados. Un gran inconveniente en este tipo de capacitores es la gran corriente de ruptura y un bajo voltaje de ruptura. Normalmente tienen polaridad, pero también los hay no polarizados. Los no polarizados son utilizados como solución económica en los filtros de cruce de sistemas de audio. Los polarizados son para bloquear la componente de corriente continua presente en la corriente alterna. Página 5 de 23

6 Capacitores de Lámina de Plástico Poseen gran resistencia de aislamiento, volumen reducido y excelente comportamiento a la humedad y variación de temperatura. Los materiales más utilizados son: poliestireno, poliéster, policarbonato y teflón. Capacitores de Papel El dieléctrico es de celulosa impregnada con resinas o parafinas. Destaca su reducido volumen y gran estabilidad frente a cambios de temperatura. Tienen la propiedad de autor regeneración en caso de perforación. Se emplean en electrónica de potencia y energía para acoplamiento, protección de impulsos y aplanamiento de ondulaciones en frecuencias no superiores a 50Hz. Capacitores 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 y alta estabilidad. Capacitores de Tantalio Son más flexibles y confiables, y presentan mejores características que los electrolíticos de aluminio, pero también su costo es mucho más elevado. Página 6 de 23

7 Capacitores Variables Capacitores variables giratorios Muy utilizados 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. A continuación una tabla con los tipos de capacitores mas conocidos y disponibles en el mercado, su material dieléctrico, armadura, rango de valores y rango de tensiones máximas. Página 7 de 23

8 V. Tolerancia de Capacitores Son los límites en los que puede variar la capacidad de un capacitor según su valor nominal, son determinados por el fabricante. Página 8 de 23

9 VI. Corriente de Fuga Si mantenemos cargado un condensador durante largo tiempo, a través del dieléctrico hay un paso de electrones llamado corriente de fuga, disminuyendo así la capacidad del condensador. Por ello, el dieléctrico debe tener gran resistencia de aislamiento, que disminuye con el aumento de la humedad y de la temperatura. Los más afectados son los de papel, mica y cerámicos, por este orden. Medición de Corriente de Fuga Se realiza con una fuente de alimentación de corriente continua que se ajusta a la tensión nominal de trabajo del capacitor y se aplica al mismo a través de un resistor de, por ejemplo, 1K ohms. La caída de tensión sobre el resistor, medida con un voltímetro, o el valor de corriente continua medido con un microamperímetro, luego de producirse la carga inicial, dará idea de la corriente de fuga, que deberá compararse con la especificada por el fabricante en su hoja de datos. Este tipo de medición resulta útil en los capacitores conectados como acoplo entre etapas de amplificadores de audio. VII. ESR Un capacitor ideal solo tiene capacidad pura, pero un capacitor real tiene resistencias e inductancias. Por el lado de las resistencias tenemos la Resistencia Equivalente Serie (ESR) y la Resistencia Equivalente Paralela (EPR). La resistencia equivalente paralela (EPR) causa una corriente de fuga que, además, calienta el condensador. Si el valor de esta resistencia disminuye aumenta la corriente de fuga pero esto no suele ser un problema común en condensadores electrolíticos excepto cuando se cortocircuitan y la resistencia paralela cae a un valor muy bajo, casi cero. La ESR también causa que el condensador se caliente ya que la corriente de rizado carga y descarga el condensador a través de esta resistencia. El valor de la ESR se ha convertido en un parámetro muy importante en los últimos años ya que la miniaturización de los condensadores ha hecho que se incremente su valor además de que las fuentes conmutadas, al funcionar a mayor frecuencia, requieren menores capacidades lo que resulta en mayor corriente de rizado por microfaradio. Las fuentes conmutadas funcionan a frecuencias mucho más altas lo cual significa que requieren valores de capacidad para los filtros mucho más reducidos pero esto implica valores de ESR más altos y más calentamiento. Al calentarse el condensador se seca el electrolito lo cual incrementa la ESR y esto lleva a una espiral destructiva. Página 9 de 23

10 Medición de ESR Puede realizarse con un generador de RF generalmente ajustado a una frecuencia de unos 50 a 100 KHz. En serie con el capacitor se debe conectar un resistor igual a la impedancia de salida del generador y en paralelo con él, un milivoltímetro de RF o bien, un osciloscopio. Cuanta más diferencia de potencial exista sobre el resistor, mejor será el estado del capacitor. Las lecturas tomadas sólo servirán para la frecuencia elegida, perdiendo sentido el realizar comparaciones entre valores de ESR medidos a diferentes frecuencias. También puede utilizarse un medidor especializado de Resistencia Serie Equivalente, como el CAPACheck. Un instrumento de este tipo combina todos los instrumentos de laboratorio mencionados en la medición de ESR, ya conectados y ajustados adecuadamente a la misma frecuencia. Esta comprobación permitirá medir la resistencia serie de sus terminales, su unión a las placas, el estado de sequedad del electrolito interno y de la capa de óxido, es decir, cuán lejos está un capacitor de su condición inicial, y será muy útil para determinar rápidamente el estado dinámico de los capacitores. VIII. Simbología de Capacitores Página 10 de 23

11 IX. Comportamiento en Corriente Continua 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. Esta situación se mantiene hasta que el flujo de electrones se detiene (la corriente deja 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 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" X. Comportamiento en Corriente Alterna En CA, un capacitor ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del producto de la pulsación ( ) por la capacidad, C: Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad en faradios (F), la reactancia resultará en ohmios. La Corriente Alterna puede pasar por un capacitor, pero al hacerlo el voltaje se encuentra desfasado 90º hacia atrás con respecto a la corriente que lo atraviesa. Página 11 de 23

12 Donde el trazo azul es la corriente y el trazo rojo la tensión. Para saber el valor de corriente instantánea aplicamos: i ( t) = Io * Sen *( ωt + β + 90º ) Y para conocer el valor de tensión instantáneo u ( t) = Vo * Sen( ω t + β ). La simulación fue realizada en Multisim 12 y el circuito de pruebas fue el siguiente: XI. Carga y Descarga de un Capacitor En el siguiente circuito, cuando el interruptor S1 permite el paso de la corriente al circuito, formado por un Capacitor y Resistencia en serie con la fuente de alimentación, podemos apreciar que la corriente aumenta hasta su valor máximo y luego cae lentamente. Matemáticamente podemos expresar que la corriente máxima es: V 12V I = = = 12µ A y el tiempo que tarda el capacitor en cargarse al 63.2% de su R 1000Ω valor nominal de tensión es: τ = R * C = 1000Ω *10µ F = 10ms y el tiempo que tarda en cargarse al 99.3% es 5 τ = 10ms *5 = 50ms. El proceso de descarga se produce al abrir el circuito, donde la tensión en el capacitor cae hasta los 0V y se produce un transitorio de corriente negativa. Página 12 de 23

13 En el oscilograma podemos observar que el trazo azul es la corriente y el trazo rojo es la tensión. Se ve que al conectar la tensión se produce un pico de corriente transitorio y el comienzo de carga del capacitor, que responden a los tiempos de la formula anterior. Página 13 de 23

14 XII. Asociación de capacitores Serie Un conjunto de capacitores conectados en serie forman un único capacitor, llamado CT Para asociar capacitores en serie aplicamos la formula: = CT C1 C2 C3 Cn Paralelo Un conjunto de capacitores conectados en paralelo forman un único capacitor, llamado CT. Para asociar capacitores en paralelo aplicamos la formula: CT = C1 + C2 + C Cn Página 14 de 23

15 Bobinas La bobina o inductor es conocida por estar comprendida por espiras de alambre arrolladas. Son componentes que almacenan energía en forma de campo magnético debido al fenómeno de la autoinducción. En todo material conductor en el cual circula una corriente se produce a su alrededor un campo magnético. Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior. I. Autoinducción Es un fenómeno por el cual en un circuito eléctrico una corriente eléctrica variable en el tiempo genera otra fuerza electromotriz o voltaje inducido, que se opone al flujo de la corriente inicial inductora, es decir, tiene sentido contrario. El fenómeno de autoinducción surge cuando el inductor y el inducido constituyen el mismo elemento. Cuando por un circuito circula una corriente eléctrica, alrededor se crea un campo magnético. Si varía la corriente, dicho campo también varía y, según la ley de inducción electromagnética, de Faraday, en el circuito se produce una fuerza electromotriz o voltaje inducido, denominado fuerza electromotriz autoinducida. II. Ley de Faraday La Ley de inducción electromagnética de Faraday se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que la magnitud de la f.e.m generada en una espira es proporcional a la rapidez de variación del flujo magnético en la unidad de tiempo. Quiere decir que, cuanto mayor sea la cantidad de líneas de fuerza cortadas por la espira y mas rápido sea el movimiento, mayor es la magnitud de f.e.m inducida. Su expresión matematica es: Donde: Φ fem = t Fem: Fuerza Electromotriz Φ : Tasa de variación temporal del flujo magnetico. t El signo negativo (-) es para indicar que la f.e.m inducida será siempre de signo tal que se opondra a la causa que la origina De forma más simple podemos determinar que: Φ fem = t

16 Siendo: Φ : Variación de flujo magnético t : Variación de tiempo III. Efecto de Autoinducción La circulación de un valor constante de corriente a traves de una bobina da lugar a un valor constante de campo magnético. Si se produce una variación de la intensidad de la corriente ( I ), produce una variación del campo magnético ( Φ ), y la variación de lineas de flujo hace que se induzca f.e.m en las espiras que corte, que pueden ser las de otra bobina o las de ella misma. La inducción de una f.e.m en una bobina, provocada por la variación de flujo en esa misma bobina se denomina autoinduccion. Este fenómeno fisico ocurre siempre en las bobinas cuando se producen variaciones de corriente. Las variaciones de campo magnetico que se producen en una bobina pueden hacer que se induzcan corrientes en otras bobinas cercanas, pero tambien en ella misma (se autoinduce). Los efectos sobre inducción electromagnetica obedecen a la ley de Lenz, la f.e.m autoinducida aparece siempre con un sentido tal que se opone a la causa que la origina. Prácticamente, esto se traduce en un efecto que tiende a: Aumentar la corriente cuando ésta tiende a disminuir (oposición a que disminuya la corriente). Disminuir la corriente cuando ésta tiende a aumentar (oposición a que aumente la corriente). Página 16 de 23

17 Coeficiente de autoinducción El flujo magnetico generado por una bobina tiene su origen en la corriente que circula por ella. A la constante de proporcionalidad entre el flujo magnético que genera ( Φ ) y la corriente que por ella circula (I) es lo que se denomina coeficiente de autoinducción o inductancia, y se simboliza con L. Φ = L * I Φ L = I El coeficiente de inductancia, L, de una bobina se puede ver como la capacidad que tiene una bobina para generar flujo magnetico cuando por ella circula una corriente. Cuanto mas cantidad de flujo magnetico genere una bobina para una cierta intensidad de corriente más inductancia tiene. El valor de inductancia se mide en Henrios, que se simboliza H. Una bobina tiene la inductancia de 1H si genera un flujo magnetico de 1 Weber cuando por ella circula la intensidad de 1A: Φ L = I 1Wb 1 H = 1A Asi, la f.e.m (E), combinando formulas anteriores, se puede expresar por: Φ = L * I I Φ E = L E = t t Página 17 de 23

18 Indicando que la fuerza electromotriz (E) inducida es proporcional a la velocidad de I variación de la corriente ( ) y al valor de la inductancia (L). A partir de esta formula t también podemos decir, prescindiendo del signo, que la inductancia se puede expresar por: I E E = L L = t I t De donde podemos decir que, una bobina tiene una inductancia de 1 henrio (1H) si se induce en ella una fem de 1 voltio (E = 1V) cuando la variación de corriente que la recorre es de 1 amperio ( I =1A) en 1 segundo ( t = 1s). 1 H 1V = 1A 1s IV. Inductancia de una bobina La inductancia de una bobina es proporcional al cuadrado del número de espiras y de la sección, e inversamente proporcional a su longitud. Donde: µ : Permeabilidad del núcleo n: Numero de espiras S: Sección l: Longitud 2 n * S L = µ l Es una fórmula aproximada, porque en ella se supone que todas las líneas de flujo enlazan todas las espiras pero, en la realidad, algunas líneas de flujo no enlazan las espiras finales. Como en los extremos de la bobina es donde se produce una mayor dispersión de flujo, la aproximación será mejor en una bobina larga que en una corta. Página 18 de 23

19 V. Simbología de Bobinas Permeabilidad Magnética Es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material. Material Permeabilidad Inicial Permeabilidad maxima Acero laminado en frio Hierro Hierro Purificado Hipernik Monimax Permalloy Supermalloy Permedur Hiperco Ferroxcube III Hierro Carbonyl Página 19 de 23

20 VI. Comportamiento en Corriente Continua 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 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 VII. Comportamiento en Corriente Alterna En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica que recibe el nombre de reactancia inductiva,, 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. El efecto de una bobina conectada en un circuito de CA es que retrasa 90º a la corriente respecto a la tensión. i ( t) = Io * Sen *( ωt + β 90º ) El trazo Rojo es la tensión y el trazo Azul es la corriente. Se puede observar que la corriente se encuentra atrasada con respecto a la tensión 90º Página 20 de 23

21 VIII. Tensiones inducidas en la conexión-desconexión Cuando no circula corriente por la bobina no existe flujo magnético, pero en el momento de aplicarle tensión aparece dicho flujo y hay una variación del mismo, que da lugar a una fem inducida que se opondrá a que la corriente aumente en la bobina. Otro caso es cuando por la bobina esta circulando una corriente constante, el flujo es constante y no se induce fem en la bobina, pero en el momento de desconectar la fuente de tension, el flujo se extingue y, por lo tanto, varia y en consecuencia da lugar a una fem autoinducida que se opondra a que la corriente cese. Entonces las corrientes de conexión y desconexion de la bobina dan lugar siempre a unos impulsos de fem cuyo valor depende del valor de la inductancia y de la rapidez de variación de la corriente. En el circuito de pruebas podemos producir el fenómeno antes dicho, pudiéndolo observar en el osciloscopio. Página 21 de 23

22 El trazo rojo corresponde a la tensión, pudiéndose observar un pico transitorio en su conexión y desconexion. El trazo azul es la corriente, se puede observar como se carga la corriente eléctrica para luego ser descargada. IX. Asociación de Bobinas Serie Un conjunto de bobinas conectadas en serie forman una única bobina, llamada LT. Para asociar bobinas en serie aplicamos la formula: LT = L1 + L2 + L Ln Paralelo Un conjunto de bobinas conectadas en serie forman una única bobina, llamada LT. Para asociar bobinas en serie aplicamos: = LT L1 L2 L3 Ln Página 22 de 23

23 Bibliografía Principios de Electricidad y Electrónica II. Antonio Hermosa Donate. Editorial Marcombo. ISBN: es.wikipedia.org Página 23 de 23