tecnología electrónica - unidad iv

8/6/2019 Tecnologa Electrnica - Unidad IV

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ESCUELA DE EDUCACIN TCNICA N 1 Gral. M. BELBRANO

TECNOLOGA ELECTRNICA

Manual de consulta, de utilidad en electricidad, electrnica yautomatizacin

UNIDAD IV.-CAPACITORES

Ed. 02 Febrero 2011

Expectativas de logro:

El alumno deber conocer la estructura, composicin, caractersticasconstructivas y aplicacin en circuitos electrnicos, de capacitores y materiales

dielctricos. Identificar los valores de su capacidad segn valores

normalizados.

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Tomar conocimiento de las propiedades y aplicaciones de materiales

tiles para su fabricacin.

CONTENIDO

CAPACITORES 03

INTRODUCCION TEORICA / COMPORTAMIENTO EN CORRIENTE

CONTINUA Y ALTERNA.

DISTINTOS TIPOS DE CAPACITORES 08

CON DIELCTRICO DE PAPEL / CON DIELCTRICO DE MICA /

CAPACITORES CERMICOS / CAPACITORES ELECTROLITICOS

POLARIZADOS Y NO POLARIZADOS / CAPACITORES ELECTROLTICOS DE

TNTALO.

CARACTERSTICAS DE LOS CAPACITORES 12

Materiales tiles para la elaboracin de Capacitores 12

Ref. Bibliogrficas

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Dicha propiedad es el efecto producido por el campo electrosttico quegenera un capacitor cuando se carga o descarga.

COMPORTAMIENTO EN CORRIENTE CONTINUA

El circuito bsico, apropiado para cargar y descargar un capacitor semuestra en lasiguiente figura, con una fuente de tensin continua (+, -), unallave bipolarT, un capacitor C y un resistor limitador de la corriente elctrica R.

Disposicin del circuito para la carga y descarga de un capacitor.

Estado de carga:

Durante el tiempo de su conexin, para cargarse o su desconexin, paradescargarse, suceden fenmenos elctricos transitorios que inciden sobre ladiferencia de potencial entre sus bornes.

El resistor R se incluy en el circuito, a los efectos de limitar lacirculacin de corriente y proteger al dielctrico del capacitor contrasobrecargas, lo cul constituye una condicin real de los circuitos elctricos.

Al pasar la llave T a la posicin (1), el capacitor se conecta a la fuente detensin en forma inmediata. Durante la carga, se genera una diferencia depotencial, que provoca una corriente de desplazamiento, que activa laestructura de los electrones en el dielctrico.

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El capacitor en estado de carga

Si la tensin aplicada no supera el mximo de rigidez dielctrica admitidapor el material aislante con que est construido el dielctrico, la corriente dedesplazamiento de electrones, tambin conocida como flujo de carga, sealmacena en las placas y el capacitor se carga. El dielctrico es el elementodestinado a administrar la energa almacenada y mantener el sistema enequilibrio.

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Al cargarse la placa 1 con carga +, induce una carga - en la placa 2. Laforma en que vara la corriente de carga en funcin del tiempo transcurrido, sepuede apreciar en la siguiente figura.

Variacin de la corriente en funcin del tiempo durante el estado de carga.

Una vez completada la carga del capacitor, no circula ms corrienteelctrica en el circuito, razn por la cual es posible afirmar que, un capacitor nopermite la circulacin de corriente continua. La magnitud de la corriente decarga de un capacitor depende de:

Valor de la tensin aplicada

Medidas de la superficie de las placas y el dielctrico

Separacin entre placas (espesor del dielctrico)

Propiedades del dielctrico (clase de aislante).

El establecimiento de la tensin entre sus bornes, se produce segn semuestra en la siguiente figura.

Establecimiento de la tensin entre los bornes de un capacitor.

Debido a que el capacitor impone cambios bruscos de tensin entre susbornes, se deben estudiar las condiciones de carga y descarga en funcin deltiempo transcurrido, a partir de dos estados diferentes:

Estado transitorio ( ts ):

Tiempo durante el cul las variaciones de tensin y corriente entre susbornes son apreciables. Depende de las caractersticas del dielctrico y la

resistencia del circuito.

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Estado permanente ( tp ):

Tiempo que transcurre una vez superado el estado transitorio y lasvariaciones de tensin son despreciables.

Se define por constante de tiempo ( en segundos ) de un circuito RC,al tiempo que tarda el capacitor, en almacenar aproximadamente el 63% deltotal de la energa potencial disponible.

Se demuestra matemticamente y se comprueba experimentalmente apartir de la siguiente expresin:

= R.C : Constante de tiempo ( segundos )R: Resistencia ( ohms )C: Capacidad ( faradios )

La duracin del estado transitorio, est condicionado a la capacidad quedebe presentar el capacitor para que el circuito restablezca su equilibriodurante el estado de rgimen, es decir en estado permanente. En loscapacitores, el tiempo de almacenamiento de energa necesario para alcanzar

dicho estado de rgimen se estima entre 3 y 5 , es decir aproximadamente92% del valor final.

En las condiciones expuestas, el capacitor se encuentra cargado y encondiciones de devolver la energa al circuito, cuando las circunstancias as lorequieran. Al pasar la llave T a la posicin (2), se establecer un nuevo circuitodenominado de descarga.

La energa potencial almacenada en las placas del capacitor, impulsaruna corriente de conduccin a travs del resistor, en sentido contrario a laanterior corriente de carga.

Durante el estado de descarga, la energa se disipa en forma de calorsobre el resistor.

COMPORTAMIENTO EN CORRIENTE ALTERNA

Si entre los bornes del capacitor se aplica una fuente de tensin alterna,el mismo se carga y descarga al comps de la frecuencia de operacin delsistema.

Durante su conexin y en rgimen permanente, ofrece una resistencia alpaso de la corriente que recibe el nombre de reactancia capacitiva, cuyo valorest dado por la inversa del producto de la pulsacin ( ) por sucapacidad, o sea:

Xc = 1 / 2 . f . CXc Reactancia capacitiva en ohmsF Frecuencia de operacin en ciclos por segundoC Capacidad en Faradios

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Debido a ello se establece un flujo continuo de electrones en ambasdirecciones. Esto implica una circulacin de corriente elctrica en el circuito quese puede medir o apreciar conectando una lmpara.

Para definir numricamente la cantidad de carga que almacena un

capacitor, consideraremos al mismo trabajando con corriente continua y enestado de rgimen, ya que el estudio considerando el estado transitorioincluido, requiere conocimientos de anlisis matemtico avanzado.

En dichas condiciones, la cantidad de carga que almacena un capacitorexpresada en Coulombios o Amperios por Segundos, es igual al producto de laintensidad media de carga por el tiempo transcurrido.

En consecuencia:Q = I . t

Q : Carga almacenada ( Coulombios )I : Intensidad media de carga ( Amperios )t : Tiempo de carga ( segundos )

Repitiendo simultneos procesos de carga y descarga sobre un mismocapacitor, se comprueba que la carga final Q es siempre proporcional a latensin V aplicada, de modo que:

Q proporcional a V

y como la constante de proporcionalidad es la capacidad C resulta:

Q = C . V

C : Capacidad de acumulacin de energa ( faradios )V : Tensin elctrica ( voltios )

Un faradio equivale al flujo de una corriente de un amperio durante unsegundo al aplicarse una tensin elctrica de un voltio.

Debido a que esta unidad de medida es muy grande, se ha hecho lasubdivisin que se muestra en la tabla siguiente:

La capacidad media de un capacitor se compone de tres capacidadesparciales:

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Capacidad entre placas Capacidad entre la placa positiva y masa Capacidad entre la placa negativa y masa

DISTINTOS TIPOS DE CAPACITORES

CAPACITORES CON DIELCTRICO DE PAPEL

Esquemas de un capacitor tubular con dielctrico de papel.

Los capacitares tubulares, se fabrican arrollando dos hojas de papel ydos lminas muy delgadas de aluminio.

El arrollamiento se efecta en mquinas especiales, con un nmero devueltas terminado, de manera tal obtener la capacidad deseada.

Si las lminas de papel y las de aluminio se arrollan ocupando ambas la

misma superficie, la carga debe acompaar al arrollamiento de las armaduraspara distribuirse en su totalidad. Esto da a lugar a una apreciable inductanciaque hace ineficaz al capacitor para frecuencias elevadas.

ATENCIN !

Ninguno de los tres componentes bsicos, RESISTORCAPACITOR e INDUCTOR (ver unidad V), se comportan como puros. Todosellos, cuando se encuentran en funcin, presentan propiedades resistivascapacitivas e inductivas, exceptuado el resistor cuando se la fabrica para queello no ocurra.

Desplazando las dos lminas de aluminio respecto a las dos tiras depapel, de modo que cada una sobresalga algunos milmetros de un lado, lacarga se desplaza del borde externo al interno de cada armadura,disminuyendo notablemente la inductancia.

Para la fabricacin de este tipo de capacitores, se requiere de un 20 a un25% ms de material que para los del tipo inductivo.

Como dielctrico, se emplean dos hojas de papel de 5 a 25 m.

espesor superpuestas, para evitar un cortocircuito entre las armaduras.

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Para tensiones de trabajo superiores a 500 V, el nmero de hojas depapel colocadas entre las armaduras se aumenta. Efectuando el nmerodeseado de vueltas de las distintas lminas, se fija el arrollamiento pegandosobre la hoja exterior de papel una tirita de papel engomado.

En sustitucinde las lminas de aluminio, se puede metalizar una cara

de la lmina de papel (con cinc o aluminio). La tensin a la que se verifica laaislacin del capacitor, es de aproximadamente 1,5 veces la tensin de trabajoy se denomina tensin de prueba.

La mxima sobre tensin instantnea admitida, es de 1,75 veces latensin de trabajo. en estado de rgimen.

CAPACITORES CON DIELCTRICO DE MICA

Imagen real y aspecto constructivo deuncapacitor de mica

Son especialmente adecuados para trabajar hasta frecuencias muyelevadas. Sus dimensiones resultan 3 a 4 veces superiores a las de los

capacitores de papel de la misma capacidad, hasta un valor mximo de 0,1 Faproximadamente,

La mejor mica para capacitores es el rub indiana.

Dispuestas todas las lminas de mica y las de cobre o estao de lasarmaduras, se coloca sobre la ltima de mica una lamina de contencin. Deesta manera se obtiene un bloque compacto que se cierra con una planchadoblada en U.

Una vez soldadas entre s las lminas de cada armadura se procede alsecado e impregnacin al vaco con cloro naftalina u otras ceras similares. Elconjunto se sella con. resinas epox.

CAPACITORES CERMICOS

Los capacitores que emplean materiales cermicos, tienen prdidas muyreducidas, son estables, trabajan a tensiones elevadas y temperaturas hasta150 C. Son indicados para circuitos de corriente alterna en alta frecuencia.

Se construyen con cermica de constante dielctrica media o alta. Son

generalmente tubulares, pero pueden presentar otras formas; por ejemplo dediscoo de cpsula.

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La metalizacin de la superficie se consigue recubriendo las zonasdeseadas de una suspensin de xido de plata, por inmersin o por

pulverizacin de los metales fundidos.Capacitor cermico de disco Secciones de capacitaresC: Cermica - A: Armadura. tubulares, de disco y de cpsula.

Con materiales cermicos de constante dielctrica media (70 a 100) se

tienen prdidas muy reducidas a frecuencias elevadas. En baja frecuencia lasprdidas aumentan.

Los materiales cermicos de elevada constante dielctrica (1.000 a5.000) permiten fabricar capacitores de capacidad elevada y dimensiones muyreducidas.

CAPACITORES ELECTROLITICOS CON ELECTROLITO SLIDO

POLARIZADOS

Los capacitores electrolticos de estado slido, se fabrican utilizando unelectrolito gelatinoso.

Constan de una lmina positiva, una negativa, y un separador quecontiene al electrolito, que se arrollan en forma cilndrica y se colocan dentro deuna proteccin metlica.

La lmina positiva es de aluminio puro cubierto de una pelcula de xidomuy delgada, que fija la tensin de trabajo y la capacidad por unidad de rea.

Capacitor electroltico con electrolito slido.

El separador esta hecho de papel o gasa absorbente y tiene la finalidadde mantener al electrolito es su lugar evitando que hagan contacto fsico laslminas positiva y negativa.

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La lmina negativa se utiliza para realizar un contacto fsico con elelectrolito. Es de aluminio y acta como terminal negativo del capacitor.

Los datos tcnicos marcados en los capacitores electrolticos, se refierenal valor de la capacidad y al nmero de capacitores individuales contenidos en

el envase, a la tensin mxima de trabajo, al margen admisible detemperatura durante el servicio, a la tensin de prueba y al tipo segn normas.

NO POLARIZADOS

Adems de los capacitores electrolticos polarizados existen los nopolarizados, en los que ambas lminas son de aluminio.

Constan en cada caso, de una capa aislante de xido sobre cada una deambas lminas, siendo imposible su destruccin por error en la polaridaddurante la conexin.

CAPACITORES ELECTROLTICOS DE TNTALO

El tntalo es un metal refractario, ni dctil ni maleable, que se trabaja porsinterizacin.

El polvo de tntalo puro, obtenido por electrlisis del fluoruro de tntalofundido, es prensado en forma de barritas que son sometidas a una primerasinterizacin al vaco, forjadas y recocidas al vaco a 2.900 C.

Los lingotes obtenidos son laminados o trefilados en fro hasta 0,1 mmde espesor o dimetro.

En los capacitores de tntalo la relacin capacidad volumen se aumenta,sinterizando el nodo para conseguir una mayor superficie activa.

Aspecto constructivo interno e imagen real de un capacitor de tntalo.

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El electrolito oxidante es de bixido de manganeso. Una fina capa degrafito cumple la funcin de ctodo.

Al hilo de tntalo se le suelda elctricamente un hilo de nquel estaado,que constituye el electrodo positivo.

CARACTERSTICAS DE LOS CAPACITORES

TOLERANCIA DE LOS VALORES DE CAPACIDAD

Capacitoes de papel,Capacitores envueltos en pelcula de poliestireno yCapacitores cermicos de alta constante dielctrica, entre 5% y 20%.Capacitores de mica normales entre 2% y 10%Capacitores de mica plateada entre 1% y 5%

ESTABILIDAD

Estabilidad respecto a las variaciones de temperatura entre 2 y 5%.

VARIACIN DE LA ESTABILIDAD CON LA TEMPERATURA

Capacitores de papel y envueltos en pelcula de tereftalato +100 a +200 ppm / CCapacitores con dielctrico de poliestireno -100 ppm / CCapacitores cermicos de elevada constante dielctrica -1.500 ppm / CCapacitores de mica plateada y cermicos 50 ppm / CCapacitores cermicos de constante dielctrica media -50 a -500 ppm / C.

ppm / C : variacin en partes por milln por grado centgrado

MXIMA DIFERENCIA DE POOTENCIAL ADMISIBLE

La tensin nominal indicada por el fabricante, para un capacitor de papel conectado enrgimen permanente, es de aproximadamente 2,5 veces menor a la de prueba, aplicada entrelas armaduras durante un segundo y depende de la temperatura de trabajo.

Los valores se consignan a 70C. Si la temperatura llega a 85C, la tensin de trabajodebe reducirse en un 15%.

DIELCTRICO

Se denomina dielctrico al material que no conduce la electricidad, por loque se puede utilizar como aislante elctrico.

Normalmente un dielctrico se deteriora cuando se sobrepasa su campode ruptura. La tensin mxima que admite dicho campo se denomina rigidezdielctrica. Si se supera su valor el dielctrico se perfora provocando uncortocircuito.

Materiales tiles para la elaboracin de Capacitores

POLIMERO

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Los polmeros industriales en general son malos conductores elctricos,por lo que se emplean masivamente en la industria elctrica y electrnica comomateriales aislantes.

Para evitar cargas estticas en aplicaciones que lo requieran, se ha

utilizado el uso de antiestticos que permite en la superficie del polmero unaconduccin parcial de cargas elctricas.Evidentemente la principal desventaja de los materiales plsticos en

estas aplicaciones est en relacin a la prdida de caractersticas mecnicas ygeomtricas con la temperatura.

MICA

Las micas son minerales pertenecientes a un grupo numeroso desilicatos de alminas, hierro, calcio, magnesio y minerales alcalinos. Su sistema

cristalino es monoclnico. Generalmente se las encuentra en las rocas. Lasvariedades ms abundantes son la biotita y la moscovita.

Se utiliza en la fabricacin de capacitores de mica, debido a que por serno inductiva, favorece el uso de este tipo de capacitores, en corriente alternacon alta frecuencia de operacin. Es un material muy utilizado en la industriaelectrnica, debido a sus propiedades como aislante elctrico y trmico. Seutiliza en mquinas de alta tensin y gran potencia, turbogeneradores ymotores elctricos.

TNTALO O TANTALIO

El tantalio o tntalo es un metal de transicin raro, azul grisceo, duro,presenta brillo metlico y resiste muy bien la corrosin. Se encuentra en elmineral tantalita. Es un metal gris, brillante, pesado, dctil, de alto punto defusin, buen conductor de la electricidad y el calor y muy duro.

Se utiliza casi exclusivamente en la fabricacin de capacitoreselectrolticos de tantalio , por tanto, un componente esencial de los dispositivos

electrnicos muy compactos.

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Carrera: Tcnico ElectrnicoEspecialidad: Sistemas de Control / automatizacin

PROFESOR: Ing. Jos SCHMIDT

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