T.P Nª 4: Capacitores

1) Dibuje la estructura típica de un capacitor. ¿qué factores físicos determinan la capacidad?

Un capacitor es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), 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, sometidas a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).
Los capacitores, segun sus paramtros fisicos se podrian definir de la siguiente forma::
ε0: permitividad del vacío ≈ 8,854187817... × 10−12 F·m−1
εr: constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctrico entre las placas
A: el área efectiva de las placas
d: distancia entre las placas o espesor del dieléctrico


2. ¿Que es la constante dieléctrica? Tabla con constantes dieléctricas de distintos materiales 

Definición de Constante dieléctrica
La Permitividad relativa o constante dieléctrica es una constante física adimencional (no tiene unidades) que describe como un campo eléctrico afecta un material. Ver Polarizazión de un dieléctrico
Dieléctrico de un capacitor
Se sabe que el valor de la capacidad de un capacitor está dada por la siguiente fórmula: C = Q / V
Determinando la capacidad C en función de las características físicas del condensador.
Cuando un capacitor está formando por dos placas separadas entre si y entre ellas hay un vacío. El valor de la capacidad es: C = εo a/d.
Donde:
a = área de cada placa en m2
d = distancia entre placas en metros
εo = constante dieléctrica (vacío), cuyo valor es: 8.85 x 10-12faradio/metro
Si se introduce un dieléctrico entre las placas, la capacidad aumentará en un factor εr.
Entonces: C = εo εr a/d ó C = ε a/d
- εr es la constante dieléctrica relativa y depende de las propiedades físicas de la sustancia empleada.
- ε es la constante dieléctrica absoluta.
Existe gran diferencia entre los valores de las constantes dieléctricas de diferentes sustancias. Algunos ejemplos importantes de constantes dieléctricas se muestran en la tabla anterior. 



3. Defina la capacidad eléctrica y sus unidades (submúltiplos más comunes)


La capacidad eléctrica de un conductor cargado y aislado es una magnitud que se mide por el cociente entre su carga y su potencial eléctrico.


La formula de la capacitancia es:


Unidad : Faradio

Los múltiplos y submúltiplos son: picofaradio, nanofaradio, microfaradio, milifaradio, kilofaradio y megafaradio.

4. Al comprar un capacitor ¿que parámetros se indican comúnmente al vendedor? 

Valor nominal normalizado.

Máxima tensión del trabajo.

Tipo de capacitor.

Material del capacitor.

5. Indique como se muestra el valor de la capacidad y la tensión maxima de trabajo en distintos capacitores: cerámica, tantalio, poliéster, electrolíticos, etc.


Capacitores electrolíticos

Estos capacitores siempre indican la capacidad en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. Dependiendo del fabricante también pueden venir indicados otros parámetros como la temperatura y la máxima frecuencia a la que pueden trabajar.
Tenemos que poner especial atención en la identificación de la polaridad.



Capacitores de poliéster

Además de ir identificado como un sistema que ya hemos visto, pueden marcarse con otro sistema que utiliza la letra griega "µ". Así pues, un condensador de 100.000 picofaradios, lo podemos encontrar marcado indistintamente como 10nf - .01 - µ10.
En la practica la letra µ sustituye al "0", por tanto µ01 equivale a 0.01 microfaradios. Entonces, si encontramos condensadores marcados con µ1 - µ47 -µ82, tendremos que leerlo como 0.1µ - 0.47µ -0.82 microfaradios.
También en los capacitores de poliéster, al valor de la capacidad, le siguen otras siglas o números que pudieran despistar. Por ejemplo 1k, se puede interpretar como 1 kilo, es decir, 1000pf, ya que la letra "K" se considera el equivalente a 1000, mientras que su capacidad es en realidad 1 microfaradio.
La sigla .1M50 se puede interpretar erróneamente como 1.5 microfaradios porque la letra "M" se considera equivalente a microfaradios, o bien en presencia del punto, 150.000 picofaradios, mientras que en realidad su capacidad es de 100.000 picofaradios.

Las letras M, K o J presentes tras el valor de la capacidad, indican la tolerancia:

M = tolerancia del 20%
K = tolerancia del 10%
J = tolerancia del 5 %

Tras estas letras, aparecen las cifras que indican la tensión de trabajo.

Por ejemplo:
.15M50 significa que el condensador tiene una capacidad de 150.000 picofaradios, que su tolerancia es M = 20% y su tensión máxima de trabajo son 50 voltios.



Capacitores de cerámica

En algunos casos el valor esta dado por tres números...

1º número = 1º guarismo de la capacidad.
2º número = 2º guarismo de la capacidad.
3º número = multiplicador (número de ceros)

Capacitores de tantalio

Actualmente estos capacitores no usan el código de colores (los más antiguos, si). Con el código de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. El terminal positivo se indica con el signo +: En este caso indica 10uF_16V

6.. Dibuje un circuito con un capacitor conectado a una fuente de alimentación continua. Explique que sucede en el instante de la conexión y después que el capacitor se cargó, haga gráficos.
 Las armaduras de un capacitor, cuando se conectan a los polos de un generador de corriente continua, adquieren cargas iguales y de signo contrario, diciéndose entonces que el condensador está cargado. El proceso de carga de un condensador no es instantáneo, sino que, se va realizando paulatinamente, dependiendo de la capacidad del mismo y de la resistencia del circuito.



 

7. Dibuje un circuito con un capacitor conectado a una fuente de alimentación alterna senoidal. Explique que sucede para cada hemiciclo ¿circula corriente por el capacitor? ¿y por el circuito?

Si le aplicamos corriente alterna a un capacitor, durante la alternación positiva, la corriente se mueve en una dirección y por un instante, una de las placas adquirirá carga positiva y la otra carga negativa, cuando cambie la alternación, también cambiará la polaridad de las placas, la que era positiva será negativa y así sucesivamente cambiarán de polaridad. Los electrones sometidos a esta corriente no pasarán por el dieléctrico. Tomando en cuenta que las placas serán positivas y negativas a la vez, el resultado sobre el dieléctrico será como si estuviera cerrado por un conductor, o sea, en cortocircuito.
Para resumir diremos que una corriente alterna pasa por el capacitor, en tanto que la corriente continua no lo hace, obviamente, tratándose que el dieléctrico es un aislador, en condiciones normales no permite el paso de ninguna corriente a través de el.
En conclusión a traves del capacitor nunca pasa la corriente, pero sí pasa por el resto del circuito.

8. Para que se utilizan los capacitores en electrónica. De ejemplos.

Un capacitor electrolítico es un tipo de condensador que usa un líquido iónico conductor como una de sus placas. Típicamente con más capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia. Este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente alterna pero no corriente continua.
Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia.

9. Explique que limita el uso de los capacitores en altas frecuencias. Cuales son los capacitores mas adecuados para ellas


El uso de capacitores en alta frecuencia se limita relativamente al tamaño. El tiempo que tarda en cargar y descargar tiene que ser corto. Por eso para ese tipo de frecuencias los más adecuados son los capacitores cerámicos, que poseen un tamaño pequeño y por sus propiedades permite cargarse y dsecargarse a gran velocidad, otros que también pueden ser utilizados son los de mica. 

10. ¿Que son los capacitores electrolíticos, para que se usan, descríbalos..Ilustre su estructura interior y exterior?

Un condensador electrolítico es un tipo de condensador que usa un líquido iónico conductor como una de sus placas. Típicamente con más capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia. Este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente alterna pero no corriente continua.
Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia.

11. Capacitores de tantalio, para que se usan, descríbalos .Comparelo con los electrolicos. Ilustre su estructura interior y exterior

Estos usan como dieléctrico una finísima película de óxido de tantalio amorfo , que con un menor espesor
tiene un poder aislante mucho mayor. Tienen polaridad y una capacidad superior a 1 µF. La forma de gota les da muchas veces ese nombre. Se caracterizan por ser muchos mas flexibles, confiables y estables con respecto a la temperatura y el transcurso del tiempo que los electrolíticos.

Capacitores de hojas metálicas (láminas): Los alambres conductores de tantalio se sueldan por puntos tanto a la lámina del ánodo como a la del cátodo,las cuales se arrollan después con separadores de papel en un rollo compacto. Este rollo se inserta dentro de una envoltura metálica y, a fin de mejorar el rendimiento, se agrega un electrólito idóneo, como etilenglicol o dimetilformamida con nitruro de amonio, pentaborato de amonio o polifosfatos.

Capacitores de hojas de tantalio: La mayor parte de las aplicaciones para este tipo de capacitor se encuentran en los intervalos de voltaje superiores, en los que no es posible aplicar los condensadores de tantalio húmedo, y cuando se requieren calidades superiores a las de los electrolíticos de aluminio.
Las desventajas, en comparación con otros tipos de capacitores de tantalio,son: gran tamaño, elevadas corrientes de fuga y gran variación en la capacitancia con la temperatura.
La principal aplicación de estos capacitores se encuentra en filtros de fuentes de alimentación.

Capacitores de tantalio sólido: Parecido a la versión húmeda, en cuanto a sus etapas iniciales de manufactura.
No hay líquido que se evapore, y el electrólito sólido es estable.
La variación de la capacitancia es muy pequeña: ±10% respecto de su valor a temperatura ambiente en todo el intervalo de temperatura desde -55 hasta 125° C.
Por desgracia, ni el electrólito ni el dieléctrico presentan las cualidades de autorreparación asociadas con otros capacitores electrolíticos.
Para proteger los capacitores de fallas tempranas debidas a defectos del óxido y del electrólito se recomienda su envejecimiento conectado durante 100 h a voltaje nominal y temperatura máxima, empleando una fuente de energía de baja impedancia. Además, se recomienda que el voltaje de operación no exceda el 60% del voltaje nominal.

A nivel estructural es muy parecido al del electrolítico, el cambio radica en el electrolítico de tantalio que poseen estos. 

12. Capacitores sólidos. Usos. Ilustre su estructura interior y exterior. Este tipo de condensador es justamente el que se ha comenzado a utilizar en las placas madres, a diferencia del condensador de electrolito, el condensador sólido utiliza una combinación de Polímero orgánico sólido (Solid Organic Polymer), están recubiertos por una carcasa de aluminio laminado y sellados herméticamente, también son del tipo radial con 2 conectores polarizados.

Esta imagen podemos ver la composición de un capacitor sólido, la diferencia con el capacitor electrolítico a nivel estructural es el material dieléctrico usado y el revestimiento, que a la larga son los que hacen la diferencia entre ambos.

13. Capacitores de poliéster. Usos. Ilustre su estructura interior y exterio

Este tipo de capacitor sustituye a los capacitores de papel. Se diferencia de estos por el dielectrico: Es del material poliester, lo que obviamente, modifica el uso y lascaracteristicas del mismo. El objeto de crear este tipo de capacitores es reducir las dimensiones fisicas de los condensadores, ya que a medida que la electronica avanza ,muchos espacios se reducen. Como ventajas principales de estos tipos de capacitores se puede encontrar el hecho de que hay muy poca perdida al momento de usarlo, en primera instancia. En segunda instancia se encuentra el hecho de que tiene un excelente factor de potencia.

14. Capacitores cerámicos. Usos. Ilustre su estructura interior y exterior- Explique como se lee el valor de estos capacitores (p.ej: 104)



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

Estos capacitores se leen siempre como 3 digitos. El código 101 es 100 picofarads. Lo ultimo dígito es la cantidad de zeros qui se debe poner tras lo ultimo numero. Así : un valor 561 es 560 pF.; un valor 334 es 330000 pF. El 47 es 47 picofarads.
La tolerancia y la estabilidad son indicadas por otros códigos: GNV:capacitores para uso genera =altas variaciones de capacitancia
NPO;capacitores com zero de desvio del valor nominal
G150; 150 ppm por grado centigrado de variacion

15. Capacitores variables, Usos. Ilustre su estructura interior y exterior Diodos varicap, explique su funcionamiento, para que se usan, descríbalos su estructura interior y exterior-Dibuje un circuito que ejemplifique su funcionamiento.

Un condensador variable es un condensador cuya capacidad puede ser modificada intencionalmente de forma mecánica o electrónica. Son condensadores provistos de un mecanismo tal que, o bien tienen una capacidad ajustable entre diversos valores a elegir, o bien tienen una capacidad variable dentro de grandes límites. Los primeros se llaman trimmers y los segundos condensadores de sincronización, y son muy utilizados en receptores de radio, TV, etcétera, para igualar la impedancia en los sintonizadores de las antenas y fijar la frecuencia de resonancia para sintonizar la radio.

Estos están formados por 2 juegos de placas, unás estacionarias y otras móviles; cuando giramos el eje del capacitor colocamos las placas móviles dentro o fuera de las estacionarias, dependiendo de las posición de las primeras, será la capacidad, vale decir que la capacidad de estos se determina, por ejemplo, 10 - 100, de 5 - 50 µF.(valores de ejemplo), si las placas estan en el medio la capacidad será la media y si están completamente fuera sería la mínima.
La capacidad mínima de un capacitor variable normal es generalmente de un 10% de la capacidad máxima. Dado que el circuito se forma por conductores, pistas de circuito impreso a relativa poca distancia unos de otros, a la capacidad mínima habrá que agregarle aproximadamente un 10% más.
Hay muchas aplicaciones para capacitores variables, sobre todo en el campo de lascomunicaciones.