Componentes pasivosEscuela Técnica Nº 3134

Docente: DIAZ,MARIA ELENA

Componentes Pasivos y Circuitos de Corriente Alterna

U.F.I.De.T ELECTRONICA BASICA

Los Condensadores (Capacitores)

• Son componentes muy utilizados en Electrónica. Es muy difícil encontrar un dispositivo electrónico que no disponga de alguno.

• ¿Qué función cumple en un circuito?• Se puede decir que un condensador es capaz

de almacenar pequeñas cantidades de energía eléctrica en un momento determinado (carga) para devolverla cuando sea necesaria (descarga)

Constitución de un Condensador• Un condensador está

formado por dos placas conductoras separadas por un material aislante o dieléctrico, unos terminales unidos a las placas permiten la conexión del condensador a otros elementos de circuito.

Capacidad de un Condensador

• Se denomina capacidad de un condensador a la propiedad que estos poseen de almacenar mayor o menor cantidad de electricidad.

• La cantidad de cargas que puede almacenar un condensador depende, fundamentalmente, de la tensión aplicada entre sus placas y de sus características constructivas.

Ejemplo Capacidad

• Para entender mejor vamos a compara la capacidad de almacenar cargas de un condensador con la capacidad de almacenar aire de un globo.

Ejemplo Capacidad

• En conclusión, la cantidad de aire que es posible introducir en un globo depende del tamaño del globo y de la presión aplicada. Por supuesto, si la presión aplicada al globo fuese superior a la que pueden soportar las paredes elásticas del globo este estallaría en pedazos.

Capacidad de un Condensador

• Si llamamos Q a la cantidad de Carga almacenada por el condensador, C a la capacidad del condensador y V a la tensión entre las placas, resulta que:

• Q = C x V Q = Culombios C = Faradios V = Voltios

La unidad de Capacidad• Es el Faradio (F) y se puede definir como la

capacidad de un condensador que almacena una carga de un culombio cuando se le aplica entre sus placas un voltio de tensión.

• El faradio es una unidad muy grande, por lo que se utilizan submúltiplos correspondientes:– A una millonésima–Microfaradio(μF) 1μF=10-6F– Una milmillonésima–Nanofaradio(nF) 1nF=10-9F– A una billonésima–Picofaradio(pF) 1pF=10-12F

• Ejemplo: Calcular la carga almacenada por un condensador de 100μF de capacidad cuando es sometido a una tensión de 50V.

Capacidad de un condensador de acuerdo a sus características constructivas

• La capacidad de un condensador depende de su forma geométrica, del tamaño de las placas (A), de la distancia entre placas (d) y de la permitividad relativa del dieléctrico (er), por ejemplo para un condensador de placas paralelas con d muy pequeña con relación a las dimensiones de las placas:– C = e0· er· A/d– e0 = Permitividad al vacío =8,85 X 10-12 F/m

Dieléctrico o Aislante

• La función del dieléctrico es aumentar la capacidad del condensador.

• Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tiene diferentes grados de permitividad. (diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico)

Dieléctrico o Aislante

• En la siguiente tabla aparecen reflejados los valores de la constante dieléctrica de los materiales más comunes:

 Material (ε) Aire   1,0059Papel  2 a 2.8

 Poliester 3 Porcelana  5...6

 Mica  3...6Vidrio  5 a 10

 Baquelita  5.6 a 8.5

Carga y Descarga de un Condensador

• Con ayuda del siguiente grafico vamos a estudiar el proceso de carga y descarga de un condensador

Carga de un Condensador

• Inicialmente el condensador está descargado. Si se cierra el interruptor I la carga empieza a fluir produciendo corriente en el circuito donde (Imax=Vs/R), el condensador se empieza a cargar. Una vez que el condensador adquiere la carga máxima, la corriente cesa en el circuito.

• En conclusión, un condensador en C.C. sólo deja pasar la corriente durante un corto período de tiempo que dura su carga. Al cabo de este tiempo actúa como un interruptor abierto.

Carga de un Condensador

 

 

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.

• 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

Descarga de un Condensador

• En un primer momento, la intensidad es grande, ya que el condensador tiene toda la tensión (la misma que la del generador). Según se va descargando el condensador, la tensión se va reduciendo y con ella la intensidad de la corriente. Cuando el condensador se descarga total mente, la intensidad y la tensión se anulan.

Descarga de un Condensador

Carga y Descarga de un Condensador

• Cuando el circuito RC se conecta a un generador de señales cuadradas, podemos observar en un osciloscopio el proceso de carga y descarga.

                              

Carga y Descarga de un Condensador

Constante de Tiempo

• Se conoce como constante de tiempo al tiempo que invierte un condensador en adquirir el 63% de la carga total.

• La constante de tiempo de un condensador es igual al producto de R C.

• Esta cte es igual de valida para calcular el tiempo de descarga de un condensador.

Constante de Tiempo

• En la teoría un condensador tardaría un tiempo infinito en cargarse o descargarse totalmente.

• En la practica se puede comprobar que transcurrido un tiempo igual a cinco constante de tiempo se puede dar por terminado prácticamente el 100% del proceso de carga o descarga de un condensador

Tensión de trabajo y de Perforación

• Como el globo descrito anteriormente, al aumentar la presión estalla en pedazos. De igual forma si un condensador es sometido a una tensión excesiva, el dieléctrico se perforará.

• De aquí el concepto de Tensión de Perforación que se define como la tensión máxima capaz de soportar un condensador si que se destruya su dieléctrico.

• No es recomendable que la tensión a la que trabaja un condensador sea mayor que la de perforación. De aquí nace el concepto de Tensión de Trabajo.

Aplicaciones Practicas

• Aprovechando el tiempo que tardan en cargarse se pueden construir circuitos de acción retardada (temporizadores electrónicos, etc).

• Como estudiaremos mas adelante, se utilizan como filtros en los circuitos rectificadores.

• Realización de circuitos llamados oscilantes y del fenómeno de resonancia, construcción de amplificadores, sintonía en radiodifusión, etc.

Tipos de Condensadores

• Existe una amplia gama de diferentes tipos en el mercado, de los que conviene conocer sus principales características con objeto de poder utilizarlos para la aplicación más idónea.

• Al igual que las resistencias, existen condensadores variables a los que se les puede modificar su valor capacitivo.

Condensadores 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. Las armaduras son de aluminio. Se fabrican en capacidades comprendidas entre 1uF y 480uF con tensiones entre 450v y 2,8Kv.

Condensadores de Papel

• Se emplean en electrónica de potencia y energía para acoplamiento, protección de impulsos y aplanamiento de ondulaciones en frecuencias no superiores a 50Hz.

Condensadores de Plástico• Sus características más importantes son: gran resistencia

de aislamiento (lo cual permite conservar la carga gran ), volumen reducido y excelente comportamiento a la humedad y a las variaciones de temperatura, además, tienen la propiedad de autor regeneración en caso de perforación en menos de 10s

Condensadores de Plástico• Los materiales más utilizados son: poli estireno (styroflex),

poliéster (mylar), poli carbonato (Macrofol) y politetrafluoretileno (teflón). Se fabrican en forma de bobinas o multicapas. Se fabrican de 1nF a 100mF y tensiones de 25-63-160-220-630v, 0.25-4Kv. Se reconocen por su aspecto rojo, amarillo y azul

1 y 2 son las dos hojas de plástico y a y b son dos hojas de aluminio enrolladas conjuntamente

Condensadores Cerámicos• Los materiales cerámicos son buenos aislantes térmicos y

eléctricos. El proceso de fabricación consiste básicamente en la metalización de las dos caras del material cerámico.

• Se fabrican de 1pF a 1nF (grupo I) y de 1pF a 470nF (grupo II) con tensiones comprendidas entre 3 y 10000v

Condensadores Cerámicos

• Su identificación se realiza mediante código alfanumérico. Se utilizan en circuitos que necesitan alta estabilidad y bajas pérdidas en altas frecuencias

Capacitor de disco Capacitor de placa

Condensadores Electrolíticos

• Permiten obtener capacidades elevadas en espacios reducidos. Los condensadores electrolíticos deben conectarse respetando su polaridad, que viene indicada en sus terminales, pues de lo contrario se destruiría.

• Símbolo

Condensadores Electrolíticos• Actualmente existen dos tipos: los de aluminio, y los de

tántalo. El fundamento es el mismo: se trata de depositar mediante electrolisis una fina capa aislante.

Condensador electrolítico Condensador de tántalo

Condensadores de Mica• Son condensadores estables que pueden soportar tensiones

altas, ya que la rigidez dieléctrica que presenta es muy elevada. Sobre todo se emplean en circuitos de alta frecuencia. Se utilizan en gamas de capacidades comprendidas entre 5pf y 100000pF. La gama de tensiones para las que se fabrican suelen ser altas (hasta 7500v). Se están sustituyendo por los de vidrio, de parecidas propiedades y más barato

Condensadores Variables• Constan de un grupo de armaduras móviles, de tal forma

que al girar sobre un eje se aumenta o reduce la superficie de las armaduras metálicas enfrentadas, variándose con ello la capacidad. El dieléctrico empleado suele ser el aire, aunque también se incluye mica o plástico.

Identificación de Valores• Vienen marcados con un número entero de tres dígitos, se

lee en forma similar al código de colores de resistencias, primer y segundo dígitos de la marca son primer y segundo dígitos de la capacidad y el tercer dígito de la marca es un factor multiplicador o cantidad de ceros que hay que agregar, el resultado es en pico faradios.

• Ejemplo

Se lee 4, 7 y se agregan 3 ceros: 473 Þ 47000 pf que equivale a 47 nF o 0.047 mF

Identificación de Valores

• Código de colores: Se leen igual que el código de colores de las resistencias, primera franja es primer dígito, segunda franja es segundo dígito y la tercera franja es el factor multiplicador, el resultado se da en picofaradios.Si aparece una cuarta franja significa el voltaje máximo en centenas del voltio. EJEMPLO

Marrón = 1, negro = 0, amarillo = agregar 4 ceros, roj = 2x100 = 200voltios. 10x104pf= 0.1mf, máximo voltaje 200 v.

Asociación de Condensadores

• En el caso de que un condensador no se disponga de la capacidad o tensión de trabajo adecuada para alguna necesidad, se pueden acoplar entre si en serie o paralelo y así conseguir las características deseadas.

Asociación en Serie• La tensión aplicada al conjunto se reparte entre cada uno

de los condensadores. Con esta disposición c/u trabaja a una tensión más baja que la aplicada. Sin embargo, la capacidad total obtenida es inferior a la de cualquiera de ellos

Asociación en Paralelo• Con esta acoplamiento, la tensión a la que quedan

sometidos todos los condensadores es la misma y coincide con la aplicada al conjunto. La capacidad aumenta cuando de les conectan paralelo.

Ejercicios• Se conectan en serie tres condensadores de 4μF, 8μF y de

12μF a un fuente de alimentación de 100V en C.C. Calcular la capacidad conseguida por el conjunto, así como la tensión a la que trabaja cada uno de los condensadores.

• Se acoplan en paralelo tres condensadores de 4μF, 8μF y de 12μF a un fuente de alimentación de 100V en C.C. Calcular la capacidad conseguida por el conjunto, así como la tensión a la que trabaja cada uno de los condensadores.

Ejercicios• Calcular la carga eléctrica que almacena un condensador de

200nF cuando es sometido a las siguientes tensiones: 10V, 100V y 1000V

• ¿Que espesor deberá tener el dieléctrico de un condensador plano de aire para conseguir una capacidad de 1pF, si posee armaduras de 10 cm2?

• ¿Cuales son las características que hay que conocer para definir un condensador concreto?

• ¿Qué ocurre si en un circuito de una lámpara alimentada por una fuente de alimentación de C.C. Intercalamos en serie un condensador?

• ¿Qué ventajas y que inconvenientes conlleva el uso de condensadores electrolíticos?

Inductancias

• A las inductancias las conocemos por el nombre común de bobinas.

• Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica.

• Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire.

Tipos de Bobinas Simbología

1. Bobina 2. Inductancia 3. Bobina con tomas fijas

4. Bobina con núcleo ferromagnético

5. Bobina con núcleo de ferroxcube

6. Bobina blindada

7. Bobina electroimán 8. Bobina ajustable 9. Bobina variable

Autoinducción. Bobinas• Significa inducirse a si misma una f.e.m. Cuando

por una bobina circula una corriente eléctrica que es variable.

• Ejemplo: ¿Has notado alguna vez al abrir los interruptores aparecen unas chispas de ruptura entre los contactos?Este fenómeno es debido a la autoinducción y aparece en mayor grado cuando en el circuito que se va a cortar existen conectados receptores con bobinas como motores, transformadores, etc.

Coeficiente de Autoinducción• La f.e.m. de autoinducción de una bobina depende

de la rapidez con que cambia el flujo en la misma, es decir:

eauto= Φ / t• El coeficiente de autoinducción nos dice la

capacidad que tiene una bobina de generarse a sí misma f.e.m. de autoinducción; en otras palabras, la capacidad de la bobina de generar flujo magnético para una corriente determinada. Φ = L I

L = coeficiente de autoinducción en Henrios (H)

Coeficiente de Autoinducción

• Sustituyendo: Φ = L I en eauto= Φ / t

eauto= L I / t• En esta expresión se puede apreciar como la f.e.m.

de autoinducción aumenta con el coeficiente de autoinducción y con la rapidez con que cambia la intensidad de corriente.

• Como ya estudiaremos el fenómeno de autoinducción tiene especial importancia el los circuitos sometidos a corrientes alternas.

Coeficiente de Autoinducción• Por ejemplo una bobina de una sola capa de

espiras y que el diámetro sea muy pequeño con respecto a su longitud su inductancia es:

• N= Número de espiras • µ= Permeabilidad magnética del núcleo (del aire

por una relativa del material) µ=µa·µr • l= Longitud de la bobina • A= Area transversal del núcleo

Tipos de Bobinas

• 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 fuelle.

• 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.

Fijas Con núcleo de aire• 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

Tipos de Bobinas

• 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.

Fijas Con núcleo Sólido• 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).

Bobina de ferrita Bobinas con núcleo toroidal

Bobinas 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.