T.P Nº4: capacitores

1. Dibuje  la estructura típica de un capacitor. ¿Que 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 Permitividad relativa o 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 = ε_o a/d.

Donde:
a = área de cada placa en m²
d = distancia entre placas en metros
ε_o = 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 ε_r.

Entonces: C = ε_o ε_r a/d ó C = ε a/d

- ε_r 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:      

La unidad de de la capacidad es:    

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

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.

Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en cortocircuito, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando.

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

 Debido a la tensión alterna U, el capacitor resulta cargado, descargado, vuelto a cargar con polaridad opuesta; una vez más descargado, y así sucesivamente. Con ello circula una corriente cuya variación es senoidal. Pero, la corriente no circula a través del capacitor, es decir a través de su dieléctrico que es aislante como hemos dicho, la corriente sólo circula de los bornes del generador a las armaduras del condensador y viceversa, es decir, aunque el circuito realmente no está cerrado el efecto es como si lo estuviera; y siendo éste el efecto, se suele decir que por el circuito circula una corriente eléctrica.

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.

Los capacitores suelen usarse para:

·         Baterías, por su cualidad de almacenar energía.

·         Memorias, por la misma cualidad.

·         Filtros.

·         Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros componentes.

·         Demodular AM, junto con un diodo.

·         El flash de las cámaras fotográficas.

·         Tubos fluorescentes.

·         Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.

Este puede ser aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes.

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?

 Estos componentes deben operar a frecuencias altas, por lo que deben presentar bajas inductancias y pérdidas. En términos generales, se pueden utilizar capacitores con diélectrico plástico o cerámico, dependiendo de la aplicación. Sin embargo, en muchos casos se prefiere el uso de capacitores hechos especialmente para aplicaciones de conmutación.

El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo. Son más costosos que los capacitores cerámicos y se utilizan en lugar de estos en aquellos casos donde se requiere mayor estabilidad y en aplicaciones de alta frecuencia.

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

Los 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.

10. ¿Que son los capacitores electrolíticos, para que se usan, descríbalos..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.

12. Capacitores sólidos. Usos. Ilustre su estructura interior y exterior.

 

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

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

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.