Clases de Capacitores

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Los Capacitores

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6.6.1 1 CONCEPTO DE CAPACIDADCONCEPTO DE CAPACIDAD

Utilidad: Almacenamiento de carga y energía en los circuitos. La propiedad que caracteriza este almacenamiento es la Capacidad Eléctrica.

Construcción de un capacitor: Dos conductores aislados (placas) de forma arbitraria, con cargas +q y –q.

Un condensador se caracteriza por la carga de cualquiera de los conductores y por la diferencia de potencial que existe entre ellos.a b

+q -q


Cómo se carga un condensador:

Conectando las dos placas a los terminales de una batería

De esta forma, los portadores de carga se mueven de una placa a otra hasta que se alcanza el equilibrio electrostático. Así, la diferencia de potencial entre las placas es la misma que entre los terminales de la batería.

La relación ente la carga y el potencial es una característica propia de cada condensador, por lo que se define la Capacidad del condensador como

Vq

C Unidades en el S.I.: Faradio (F)


TIPOS DE CAPACITORESTIPOS DE CAPACITORES

1.- Capacitor de placas paralelas

Vamos a calcular la capacidad para tres tipos de capacitores. En cada caso debemos encontrar la diferencia de potencial, V, entre las placas de dicho condensador.

Suponiendo cada placa como un plano infinito, el campo eléctrico creado por cada placa es /2o, luego el campo total entre las placas es

CteA

qE

oo

La capacidad seráA d q

qVqC

o

/

yA d q

d EVo

dA C o


Líneas de campo eléctrico entre las placas de un Líneas de campo eléctrico entre las placas de un condensadorcondensador


6.36.3 ASOCIACIÓN DE CAPACITORESASOCIACIÓN DE CAPACITORES

SerieRegla general: La diferencia de potencial entre los extremos de un cierto número de dispositivos conectados en serie es la suma de las diferencias de potencial entre los extremos de cada dispositivo individual.

En este caso V=Vb-Va=V1+V2 y la carga permanece constante, luego

2

2

1

1CqVy

CqV 21 VVV

)11

(21 CC

qV VqCeq

21

111CCCeq

i ieq CC11

V

-q +q-q +qa b

V

V1

V2


ParaleloV

-q1 +q1

-q2 +q2

ba

V

V

Regla general: La diferencia de potencial entre los extremos de un cierto número de dispositivos conectados en paralelo es la misma para todos ellos.

En este caso q = q1+q2 y es la diferencia de potencial la que permanece constante, luego

VCqy V Cq 2211 21 qqq

)( 21 CCVq 21 CCC

i

ieq CC


6.46.4 ENERGÍA DE UN CAPACITORENERGÍA DE UN CAPACITOR

Cuando se carga un capacitor con una batería, ésta realiza un trabajo al transportar los portadores de carga de una placa a otra. Esto supone un aumento de energía potencial en los portadores que coincide con la energía eléctrica almacenada en el capacitor. Se puede comparar este efecto con la energía almacenada en un muelle comprimido. Esta energía almacenada se recupera cuando se descarga el capacitor.

Si en un tiempo t se transfiere una carga q’(t) de una placa a otra, la ddp en este instante de tiempo será

CtqtV )('

)(


La transferencia de una carga extra dq’, requiere un trabajo extra que vendrá dado por

''

')( dqCqdqtVdW

El proceso termina cuando toda la carga ha sido transferida y el sistema queda en equilibrio. El trabajo desarrollado en este proceso será

q

dqCq

dWW0

''

Este trabajo coincide con la energía eléctrica almacenada en el condensador, luego

C

qU

2

2

1

También se puede escribir como 2

2

1CVU qVU

21o


CAPACITOR PLANO CON CAPACITOR PLANO CON DIELÉCTRICODIELÉCTRICO

En 1837 Faraday investigó por primera vez el efecto de llenar el espacio entre las placas de un capacitor con un dieléctrico (material no conductor), descubriendo que en estos casos la capacidad aumenta.

Si el dieléctrico ocupa todo el espacio entre las placas, la capacidad aumenta en un factor , a la que llamamos Constante Dieléctrica.


Introducción de un dieléctrico entre las placas de un capacitor

I

Dado un capacitor planoo de capacidad Co, se conecta a una pila con una diferencia de potencial Vo, de forma que la carga final que adquiere es qo = CoVo.

Si se desconecta el condensador de la pila y se introduce un dieléctrico que ocupe todo el espacio entre las placas, la ddp disminuye en una cantidad , mientras que la carga permanece constante, luego

ooo C

Vq

Vq

C II Si se introduce un dieléctrico con la pila conectada, ésta debe

suministrar una carga adicional para mantener el potencial constante. La carga total aumenta entonces en una cantidad , luego

oo

o

o

C Vq

VqC


Para un capacitor de placas planas se puede escribir

dA

dA C o

Este resultado se puede generalizar para cualquier tipo de condensador escribiendo

L C o

L es una constante que depende de la geometría

Plano

Cilíndrico

dAL

)/ln(2

ablL


COMPORTAMIENTO MICROSCÓPICO COMPORTAMIENTO MICROSCÓPICO DE UN DIELÉCTRICODE UN DIELÉCTRICO

Las cargas ligadas o cargas de polarización son las responsables de la disminución del campo eléctrico entre las placas de un condensador cuando se introduce un dieléctrico. Dichas cargas se encuentran en la superficie del dieléctrico.

Modelo atómico simple

Una carga puntual +Ze rodeada por una distribución esférica de carga negativa –Ze formada por electrones

-Ze

+Ze

0oE

0P


Si sometemos el átomo en un campo externo, éste ejerce una fuerza en un sentido sobre el núcleo y en sentido opuesto sobre los electrones. Así, la posición del núcleo y del centro de distribución de las cargas negativas queda desplazado.

+Ze

oE

P

Centro de distribución de cargas negativas En este caso el átomo adquiere

un momento dipolar inducido y entonces se dice que está polarizado.

Moléculas polaresAquellas que tienen un momento dipolar permanente (por ejemplo el agua).


Si colocamos un dieléctrico entre las placas de un capacitor plano, se polariza a medida que se introduce en el seno del condensador Aparece una densidad superficial de carga en las caras adyacentes a las placas del capacitor

0oE

-

--

--

-

--

-

---

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

-

+

oE

+

+

+

+

+

+

+

--------

--------

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+-

-

-

-

--

-

-

-+ +

+

p

oE

--------

--------

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

pE

El campo eléctrico total es, en este caso )i(EiEE po

En módulo, el campo total disminuye

po EEE Simulación


Capacitores electrolíticos

Se construyen enroscando un conjunto de capas paralelas de aluminio separadas por papel e impregnadas en un electrolito

Método constructivo industrial

Su principal ventaja es la enorme capacidad por unidad de volumen que se consigue



Típicamente tienen encapsulados cilíndricos

Características más importantes

• Alta capacidad por unidad de volumen

• Alta ESR

• Baja frecuencia de utilización

• Tienen polaridad

Su uso más habitual es para filtrar formas de onda con frecuencias de red (50, 100 Hz) y para almacenar energía

Tensiones típicas:

6.3 V – 10 V – 16 V – 25 V – 35 V- 63 V – 100 V -250 V – 350 V – 450 V

Valores de ESR: desde varios hasta 10 m





Cuanto mayor es C, menor ESR

Cuanta más tensión soportan, mayor ESR

Existen capacitores electrolíticos de tántalo con baja ESR

Fabricantes: AVX, Kemet



La temperatura les perjudica bastante

Existen dos gamas de capacitores: 85 ºC y 105 ºC

A temperaturas elevadas el electrolito se evapora

La vida del capacitor se acorta bastante

C

Temp (ºC)

El fabricante facilita como dato la tolerancia del valor de la capacidad: ±5%, ±10%

CNominal

5%


Capacitores plásticos

Se construyen con dieléctricos plásticos metalizados:

• Tereftalato de Polietileno: MKT

• Polipropileno: MKP

El encapsulado suele ser tipo “caja”


• Capacidad por unidad de volumen media

• Baja ESR

• Alta frecuencia de utilización

• No tienen polaridad


Capacitores plásticos

Al tener baja ESR y baja ESL, trabajan hasta frecuencias elevadas

Son bastante estables en temperatura

Se usan habitualmente para construir filtros hasta frecuencias de MHz

Tensiones nominales de condensadores plásticos:

100 V, 250 V, 400 V, 630 V, 1000 V, 2000 V

Orden de magnitud de la capacidad:

desde 1nF hasta 50F


Capacitores cerámicos

Su estructura es un sándwich multicapa de placas de aluminio embebidas en una estructura cerámica

Encapsulados como los de los plásticos y también SMD (montaje superficial)


• Capacidad por unidad de volumen baja

• Muy Baja ESR

• Muy Alta frecuencia de utilización

• No tienen polaridad


Capacitores cerámicos

Son los condensadores con menores elementos parásitos

Bajísimos valores de ESR y ESL

La frecuencia de utilización es de varios MHz

Son muy útiles como filtro de alta frecuencia

Muy estables en temperatura debido a sus elementos constructivos

Tensiones nominales de condensadores cerámicos:

6.3 V, 10 V, 16 V, 25 V, 50 V

Orden de magnitud de la capacidad:

desde 1pF hasta 10F

Se consiguen valores de ESR menores de 5 m

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