Condensadores Si una diferencia potencial se encuentra entre dos puntos, se crea un campo eléctrico que es el resultado de la separación de las cargas entre estos puntos. La fuerza del campo dependerá de la separación de las cargas. La capacitancia es el concepto del almacenamiento de energía en un campo eléctrico y definida por el área y la separación de las placas del condensador y las características del material que los separa. Cuando la corriente eléctrica fluye a través de un condensador, una fuerza se establece entre las dos placas paralelas separadas por un dieléctrico. La energía almacenada permanece incluso después de que la corriente finalice. Conectando un conductor (un resistor, un alambre, o el mismo aire) a través del condensador, el condensador cargado, descarga la energía almacenada. El valor de un condensador se puede calcular por la ecuación
C = capacitancia; ε es la constante dieléctrica; d es la distancia entre las placas; N el nº de placas; A el área de las placas; x = 0.0885 cuando A y d están en cm. La capacitancia de cualquier condensador esta determinada por el área superficial de las dos placas, la distancia entre las placas, y la constante dieléctrica del material aislador entre las placas. La constante dieléctrica de un material determina la energía electrostática que se puede almacenar en ese material por unidad de volumen para un determinado voltaje. El valor de la constante dieléctrica expresa, la relación de transformación de un condensador en el vacío a uno que utiliza un determinado dieléctrico. El valor del dieléctrico del aire es 1, la unidad de la referencia empleada para expresar la constante dieléctrica. Pues si se aumenta o se disminuye la constante dieléctrica, la capacitancia aumentará o disminuirá, respectivamente. El tabla 1.4 enumera las constantes dieléctricas de varios materiales. Dieléctrico
K (Constante dieléctrica)
Aire o vacío
1.0
Papel
2.0–6.0
Plástico
2.1–6.0
Aceite mineral
2.2–2.3
Aceite de silicón Cuarzo
2.7–2.8 3.8–4.4
Cristal
4.8–8.0
Porcelana
5.1–5.9
Mica
5.4–8.7
Óxido de aluminio
8.4 26
Pentoxide del tantalio De cerámica
12–400,000
La constante dieléctrica de la mayoría de los materiales es afectada por la temperatura y la frecuencia, a excepción del cuarzo, del Styrofoam, y del Teflón, cuyas constantes dieléctricas siguen siendo esencialmente constantes. La ecuación para calcular la fuerza de la atracción entre dos placas es
Donde, F = fuerza de la atracción; A = área de una placa; V = diferencia potencial de la energía; k = coeficiente dieléctrico; y S = separación entre las placas. El Q para un condensador cuando la resistencia y la capacitancia están en serie es
(1.26)
donde, Q = relación de transformación que expresa el factor de mérito; f = frecuencia ; R = resistencia ; y C = capacitancia, . Cuando los condensadores están conectados en serie, la capacitancia total es C T
(1.27) CT , es siempre menor que el valor del condensador más pequeño. Cuando los condensadores están conectados en paralelo, la capacitancia total es CT
(1.28)
CT , es siempre más grande que el condensador más grande. Cuando un voltaje se aplica a través de un grupo de condensadores conectados en serie, el voltaje a través de la combinación es igual al voltaje aplicado. El voltaje de cada condensador individual es inversamente proporcional a su capacitancia. (1.29)
donde, VC = voltaje a través del condensador individual en la serie (C1, C2,…, CN); VA = el voltaje aplicado; CT = capacitancia total de la combinación de la serie y CX = capacitancia del condensador individual. T
En un circuito de corriente alterna, la reactancia capacitiva, o impedancia, del condensador es
(1.30)
donde, XC = reactancia capacitiva ; f = frecuencia ; y C = capacitancia. La corriente circulará 90° adelantada al voltaje en un circuito con un condensador puro. Cuando un voltaje de corriente continua, está conectado a través de un condensador, se requiere un tiempo t para cargar el condensador al voltaje aplicado. Esto se llama una constante de tiempo y se calcula con la ecuación.
t = RC
(1.31)
donde, t = tiempo. ; R = resistencia; y C = capacitancia. En un circuito que consta de resistencia y capacitancia puras, se define t ( la constante de tiempo), como el tiempo necesario para cargar el condensador al 63,2%, del voltaje aplicado. En el siguiente ciclo, el condensador se carga al 63.2% de la diferencia restante al valor completo, o al 86.5% del valor completo. La carga en un condensador no puede alcanzar nunca 100%, pero se considera el 100% después de cinco ciclos de carga. Cuando se quita el voltaje, el condensador se descarga al 63.2%, del valor completo. La capacitancia se expresa en microfaradios (μF , o 10–6 F) en picofaradios (pF, o 10–12 F) con una exactitud o una tolerancia indicada. La tolerancia se puede también indicar como GMV (valor mínimo garantizado), a veces como MRV (valor mínimo clasificado). Todos los condensadores tienen un voltaje de funcionamiento máximo, que no debe excederse y es una combinación del valor de la c.c., más el pico del valor de la c.a., que se puede aplicar durante la operación. Factor de calidad ( Q ) El factor de calidad es la relación de transformación de la reactancia del condensador a su resistencia en una frecuencia especificada y se define por la ecuación
(1.32)
donde, Q = factor de calidad; f = frecuencia; C = valor de la capacitancia; R = resistencia interna; y PF = factor de la potencia
Factor de la potencia (PF) El factor de la potencia es la medida para describir las pérdidas capacitivas en los circuitos de corriente alterna. Es la fracción de los voltamperios disipados en el dieléctrico del condensador y es virtualmente independiente de la capacitancia, del voltaje aplicado, y de la frecuencia.
Resistencia serie equivalente (ESR) La resistencia serie equivalente , se expresa en los ohmios o los miliohmios (Ω , m Ω) y expresa la carga resistiva en el componente, sus pérdidas, y la disipación del material dieléctrico. Inductancia serie equivalente (ESL) La inductancia serie equivalente puede ser útil o perjudicial. Reduce funcionamiento de la alta frecuencia; sin embargo, puede ser utilizada conjuntamente con la capacitancia interna para formar un circuito resonante. Factor de disipación (DF) El factor de disipación, es la relación de la resistencia eficaz en serie de un condensador y su reactancia a una frecuencia determinada. Es el recíproco del factor de calidad (Q) y es una indicación de las perdidas del condensador. Debe ser tan bajo como sea posible. Resistencia del aislante La resistencia del aislante, es la resistencia del material dieléctrico y determina el tiempo de descarga de un condensador. Un condensador descargado tiene una resistencia baja del aislante; sin embargo cargado a su valor, aumenta en megohmios. Las fugas en los condensadores electrolíticos no debe superarse al valor. (1.33)
donde, IL = corriente de fuga y C = capacitancia. Absorción dieléctrica (DA) La absorción dieléctrica, es la reluctancia del dieléctrico para almacenar los electrones cuando el condensador está descargado. Comunmente se llama “memoria” porque si un condensador se descarga con una resistencia y se quita la resistencia, los electrones que permanecían en el dieléctrico se regeneran en el electrodo, haciendo aparecer un voltaje a través del condensador. La verificación del DA se efectúa, cargando el condensador por 5 minutos y descargándolo durante 5 segundos, después, teniendo el circuito abierto 1 minuto, después de lo cual se mide el voltaje recuperado en el condensador. El porcentaje del DA se define como la relación de la recuperación de la tensión de la carga en %. Tipos de condensadores Los condensadores se utilizan para filtrar, para acoplar, para sintonizar, para bloquear la c.c., para pasar la c.a, para cambiar la fase, para aislar, para almacenar energía, para suprimir ruido, y para encender los motores. Deben también ser pequeños, ligeros, fiables, y soportar condiciones adversas. Los condensadores se agrupan según su material dieléctrico y su configuración mecánica.
Condensadores cerámicos Los condensadores cerámicos, se utilizan, como capacitares de paso y de acoplamiento (fig. 1.11). Los condensadores de cerámica, se pueden fabricar con una variedad de valores de K (constante dieléctrica). Un alto valor de K se traduce, en un tamaño pequeño y en una estabilidad menor, con una K >3000, los condensadores son físicamente pequeños y tienen valores entre 0.001, a varios microfaradios.
Fig. 1.11 condensadores de cerámica de múltiples capas Para una buena estabilidad de temperatura se requiere, tener un valor de K entre 10 y 200. Si el Q también es alto, el condensador será físicamente más grande. Los condensadores de cerámica, que no cambian con la temperatura se llaman, negativo-positivo-cero (NPO) y tienen en un rango de su capacitancia entre 1.0 pF. a 0.033 micro Faradios. Se utilizan los condensadores de temperatura-compensada N750, cuando la variación de la capacitancia requerida en un rango amplio de temperaturas. Los 750 indican una disminución de 750 ppm de la capacitancia con un aumento de 1°C en la temperatura (750 ppm/°C). Esto es a una disminución del 1.5% de la capacitancia para un aumento de 20°C en la temperatura. Los condensadores N750 tienen valores entre 4.0 y 680 pF. Condensadores de película Los condensadores de la película, consisten en capas alternas de hojas de metal en una o varias capas de un material aislante de plástico flexible (dieléctrico) en forma de cinta y encapsulada. ( fig. 1.12).
Fig. 1.12 Condensadores de película.
Condensadores de la mica Los condensadores de mica, tienen valores pequeños de su capacitancia y se utilizan generalmente en circuitos de alta frecuencia. Se construyen con capas alternas de hoja de metal y utilizan la mica como aislante, y se encapsulan. Condensadores papel Los condensadores papel, se utilizan frecuente, en los motores , a una frecuencia de 50 o 60 hertzios. Se fabrican en capas alternas de aluminio y papel saturados con aceite envueltos juntos. Luego ensamblados en una caja oilfilled, y sellados herméticamente en una caja de metal.
Condensadores electrolíticos Los condensadores electrolíticos proporcionan altas capacitancias en un tamaño tolerable; sin embargo, tienen varias desventajas. Las bajas temperaturas reducen su funcionamiento, mientras que las temperaturas altas los secan. Los electrólitos pueden generar fugas y corroer el equipo. Las sobre tensiones en el voltaje de trabajo, las excesivas corrientes de ondulación, y las temperaturas de trabajo altas, reducen su funcionamiento y acortan la vida del condensador. Los condensadores electrolíticos se fabrican con la formación electroquímica de un de revestimiento de óxido, en una superficie del metal. El metal en el cual se forma el revestimiento de óxido, sirve de ánodo o terminal positivo del condensador; el de revestimiento de óxido es el dieléctrico, y el terminal del cátodo o negativo, es el líquido conductor o gel. El circuito equivalente de un condensador electrolítico se muestra en el fig. 1.13, donde A y B son los terminales del condensador, C es la capacitancia eficaz, y L es la autoinductancia del condensador producido por las terminales, los electrodos, y su geometría. La resistencia Rs es la corriente de fuga. El calor es generado en el ESR (resistencia serie) por la corriente de ondulación y en la RS (resistencia de fugas) por el voltaje. El ESR es debido la separación entre el electrolítico y el óxido, y varía ligeramente con la temperatura, excepto a bajas temperaturas, donde aumenta grandemente.
Fig 1.13 Circuito equivalente de un condensador electrolítico La impedancia de un condensador (fig. 1.14) depende de la frecuencia.
Fig. 1.14 Características de la impedancia de un condensador
La corriente de fugas, es la corriente continua que pasa a través de un condensador cuando se aplica a sus terminales, un voltaje de c.c., correctamente polarizado. Es proporcional a la temperatura, incrementando su importancia a temperaturas ambiente elevadas. Disminuye lentamente después de que el voltaje se aplique, alcanzando el estado estacionario después de aproximadamente los 10 min. Si un condensador está conectado con polaridad inversa, el revestimiento de óxido esta polarizado directamente, ofreciendo una resistencia muy pequeña a la corriente, lo que causa un sobrecalentamiento y la autodestrucción del condensador. El calor total generado dentro de un condensador es la suma del calor creado por el I fugas x V aplicado y el I ²R de las pérdidas en el ESR. La tensión de ondulación de la corriente alterna, es muy importante en las aplicaciones de filtro, porque una corriente excesiva produce el aumento de la temperatura, acortando vida del condensador. La corriente máxima permitida de la ondulación en rms está limitada por la temperatura interna y el índice de la disipación de calor del condensador. Un ESR bajo y en encapsulados grandes, aumentan la tensión de ondulación permitida. La esperanza de vida del condensador se dobla para cada disminución en 10°C la temperatura de funcionamiento, así que un condensador que funciona a la temperatura ambiente tendrá una esperanza de vida 64 veces más alta que el mismo condensador que funciona a 85°C. La especificación de los picos de voltaje de un condensador determina su capacidad de soportar los voltajes transitorios altos, que suceden normalmente durante el período de encendido del equipo.
.
Fig. 1.15 Características de temperatura, frecuencia, tiempo, y voltaje aplicados.
Condensadores electrolíticos de aluminio. Los condensadores electrolíticos de aluminio utilizan el aluminio como la materia prima. La superficie se graba al agua fuerte, para aumentar el área superficial aproximadamente 100 veces, dando por resultado una capacitancia mucho más alta en el mismo volumen. Los condensadores electrolíticos de aluminio pueden soportar hasta 1.5V del voltaje inverso sin el detrimento. Voltajes inversos más altos, cuando los períodos extendidos demasiado aplicados, conducen a la pérdida de capacitancia. La aplicación de voltajes inversos durante períodos cortos, causan un cierto cambio en capacitancia, pero no destruyen el condensador. Los condensadores de valores altos se utilizan para filtrar fuentes de potencia en cc. Después de que se carga un condensador, el rectificador deja de conducir y empieza un ciclo de descarga, según indica la fig. 1.17, hasta el ciclo siguiente. Entonces el condensador se recarga otra vez al voltaje máximo.
Fig. 1.17 Carga y descarga de un condensador Condensadores del tantalio. Los electrolíticos de tantalio, es utilizado en donde es importante, las consideraciones de alta fiabilidad y una larga vida de trabajo. Los condensadores del tantalio tienen una capacitancia tres veces superior por eficacia de volumen, a los condensadores electrolíticos de aluminio, porque el pentóxido de tantalio tiene una constante dieléctrica tres veces mayor que el del óxido de aluminio (tabla 1.4).
Fig. 1.18 Condensador electrolítico sólido, de tantalio
Los electrolíticos de tantalio, la distancia entre las placas es el espesor de la película del pentóxido de tantalio, y puesto que la constante dieléctrica del pentoxido del tantalio es alta, la capacitancia de un condensador del tantalio es alta. Los condensadores del tantalio pueden ser de electrolítico líquido o sólido. El condensador del tipo líquido, el electrolítico es el ácido sulfúrico. En los condensadores del tipo sólido, el electrolítico, es el dióxido del manganeso.
Fig. 1.19 Condensador de electrolítico líquido de tantalio.
Condensadores de hoja de tantalio . Los condensadores de hoja de tantalio, están diseñados para valores de voltaje de hasta los 300 V. De los tres tipos de condensadores electrolíticos del tantalio, el diseño de hoja tiene la capacitancia más baja por unidad de volumen. Es costoso y por lo tanto utilizado solamente, donde ni del tipo sólido (fig. 1.18) ni del líquido (fig. 1.19), pueden utilizarse