TRABAJO PRACTICO N°2

1) Dibuje la estructura típica de un capacitor. Indica que factores físicos determinan la capacidad. Defina matemáticamente la capacidad en función de estos parámetros y de la constante del dieléctrico usado.


Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. En la figura de la izquierda se puede apreciar una vista lateral de un capacitor. En la segunda figura, lo que se muestra es un capacitor electrolitico, que basicamente consiste en lo mismo, pero entre una de sus diferencias consta de polaridad. 




Los factores fisicos mediantes los cuales esta definida la capacidad de un capacitor son:

• Distancia de separacion entre las placas : Es decir , la distancia entre las láminas conductoras que se muestran en la figura 1. 
• Superficie de las placas.

Matemáticamente la capacidad de un capacitor, dados por estos parametros y por la constante del dieléctrico usado se define de la siguiente manera: 

       K  eo  x S

C = --------------
      d

Donde: 

• S= superficie de las placas
• d= distancia entre placas
• eo= Constante dielectrica del vacio
• K= Constante eléctrica del dielétrico

2) ¿Qué es la constante dieléctrica? Unidades. Tabla con valores típicos de algunos materiales.

La constante dieléctrica de un medio continuo es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio. En relación la rapidez de las ondas electromagnéticas en un dieléctrico es:

La constante diélectriac no tiene unidades, es adimensional.

Es el factor que establece a cuanto se incrementa la capactitancia de un capacitor al agregarsele un dielectrico al sistema.  

Por Ej. Sea C la capacitancia de un capacitor sin dielectrico, y luego a este se le agrega un capacitor de constante ( K = 3 ) entre sus placas, entonces:  

C' = K C  

C' = 3 C  

siendo C' la nueva capacitancia del sistema que sera 3 veces mayor a la inicial.

Constante dieléctrica y resistencia dieléctrica de algunos materiales
Material	er	Resistencia dieléctrica (kV/mm)
Aceite	2,24	12
Agua a 20 ºC	80
Aire	1,0006	3
Baquelita	4,9	24
Mica	5,4	10-100
Neopreno	6,9	12
Papel	3,7	16
Parafina	2,3	10
Plexiglás	3,4	40
Porcelana	7	5,7
Vidrio pyrex	5,6	14

 

3) Defina la capacidad eléctrica electricamente en función de las cargas acumuladas y la tensión. Efectué un análisis dimensional .


En electrónica, la capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacidad también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para un potencial eléctrico dado. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el capacitor. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del capacitor y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente ecuación (con su propio análisis dimensional):

Donde:
es la capacidad, medida en faradios; esta unidad es relativamente pequeña y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.
es la carga eléctrica almacenada, medida en coulombs;
es la diferencia de potencial (o tensión), medida en volts.


4) 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 se cargo. Haga un gráfico de tensión y corriente en función del tiempo sobre el capacitor.

CAPACITOR DESCARGADO

En la figura , notamos que las placas del capacitor están descargadas, o sea no hay electrones circulando en ellas, en otras palabras, no existe f.e.m aplicada puesto que el interruptor se encuentra abierto y por lo tanto, no existe una diferencia de potencial entre las placas.
Volviendo a que toda la materia está compuesta de átomos, existe un núcleo en el centro con carga positiva, dicho núcleo está rodeado de electrones girando a su alrededor, recordemos que la carga de los electrones es negativa y se rechazan cuando se aproximan. En la figura vemos que cada placa tiene sus electrones balanceados o sea, en números iguales, en el dieléctrico los átomos se encuentran en su estado normal, con sus electrones girando es sus órbitas. Decimos entonces que el capacitor tiene sus elementos en equilibrio, dado que no existe una fuerza exterior que altere su estado.

CAPACITOR CARGADO 
Vemos ahora en la figura anterior, que el interruptor se encuentra conectado, completando así el circuito, por lo mismo, se aplica una f.e.m a las placas del capacitor. Es de suponer que la diferencia de potencial pone en movimiento a los electrones circulando una corriente eléctrica por el alambre, la corriente circulante es poca duración. 
La corriente de carga del capacitor es de la placa positiva al polo positivo de la batería, por los electrones que pierde dicha placa, en tanto la negativa los acumula. No es de extrañar este comportamiento ya que sabemos que la polaridad positiva atrae electrones libres, en tanto que la negativa los rechaza. Los electrones libres de la placa positiva pasan a la batería y siguen hacia la placa negativa, tratando con esto de volver a la positiva, de donde emigraron. 
Se encuentran entonces con el dieléctrico, el cual no permite el paso de estos electrones, dando como resultado al aglutinamiento en la placa negativa. 
Es de mencionar el hecho de que las placas tienen una superficie grande con respecto a la separación entre ellas que es muy reducida y por lo mismo los electrones tratan de pasar a la placa positiva, con esto forman un estado de tensión eléctrica, denominado Campo electrostático o bien, líneas de fuerza electrostática. Tomando en cuenta que el dieléctrico es de un material aislante, tiene sus electrones íntimamente ligados a sus átomos, es por esto que no pueden pasar del dieléctrico a la placa positiva, únicamente pueden desviarse hacia ella en sus órbitas de rotación. 
Podemos decir que cuanto más alto sea el voltaje aplicado al capacitor, será mayor la tensión que soporta el dieléctrico, es por esto que será mayor la deformación de las órbitas de sus electrones, en su lucha por trasladarse a la placa positiva y alejarse de la negativa. 
Si desconectamos la batería, abriendo el interruptor el capacitor queda cargado, o sea, las condiciones de las cuales se explicó anteriormente, siguen vigentes en sus placas. Si hiciéramos un puente entre las 2 placas, inmediatamente los electrones de la placa negativa pasarán a la positiva, formándose una corriente de poda duración en dirección contraria a la primera, esto es, cuando se cargó el capacitor. El resultado de esta acción es que las placas del capacitor vuelven a su estado de equilibro y en el dieléctrico los electrones vuelven a sus órbitas normales de rotación, en otras palabras, el capacitor queda descargado.

5) Dibuje un circuito con un capacitor conectado a una fuente de alimentación alterna senoidal. Explique que sucede sobre el capacitor 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.  

6)¿ Para qué se utilizan los capacitores en electrónica?. De ejemplos de circuitos

Uno de los principales usos del condensador es almacenar energía para después devolverla al circuito, siendo utilizados en fuentes de alimentación para evitar el rizado que se produce después de la rectificación, en osciladores para fijar una determinada frecuencia del circuito, filtros antiparasitarios (eliminación de ruidos eléctricos), eliminación de energía reactiva y armónicos en electricidad.


Hoy en día hay estudios de nanotecnologia para llegar a conseguir que los condensadores tengan unas grandes capacidades y utilizarlos como baterías.

7) Explique que limita el uso de los capacitores de alta frecuencia. ¿Cuáles son los capacitores mas adecuados para ellas?


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

8) ¿Qué son los capacitores electrolíticos? ¿Para qué se usan? Describalos, 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.

9) Capacitores de tantalio. Descríbalos. Usos. Comparelo con los electrolíticos. Ilustre si 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. 

 10) 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.
Redacción : Muratore y Labate 
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. 
Las principales ventajas sobre otros tipos de capacitores y sobre todo los electroliticos son las siguientes:

• Resistencia a la impedancia:
• Resistencia a las variaciones de energía
• Mucho más durables
• Redacción : Muratore y Labate
• Resistencia a las Altas temperaturas
• No se revientan como los condesadores electrolíticos
• Debido a su composición orgánica son más amigables para el medio ambiente
• Son más seguros

La de la izquierda es una imagen que muestra la estructura interna de los capacitores solidos. A pesar de estar en ingles se puede entender facilmente. Por otra parte, la de la derecha es una imagen que muestra la estructura externa de estos capacitores.

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11) Capacitores de poliéster. Usos. Ilustre su estructura interior y exterior.

Sustituyen a los capacitores de papel, solo que el dieléctrico es el poliéster. Se crearon capacitores de poliéster metalizado con el fin de reducir las dimensiones físicas. Ventajas: muy poca pérdida y excelente factor de potencia. 

En que se usa? Se usa para filtros de señal no deseada, si una radio o un amplificador sale con ruidos es por problemas de filtro debes de agregar los correspondientes capacitores para sacar esos ruidos , corregir las señales como por ejemplo en las fuentes sin los capacitores es una señal pulsante y con los capacitores pasa a ser casi una corriente continua.

12) Capacitores cerámicos. Usos. Ilustre su estructura interior y exterior. Explique como se lee el valor de éstos capacitores.  

 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.

Código de valores para Capacitores cerámicos


a) 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)


La especificación se realiza en picofaradios.


Ejemplo:


104 = 100.000 = 100.000 picofaradios ó = 100 nanofaradios

13) Capacitores variables. Usos, ilustre su estructura interior y exterior de los llamados Tandem y Trimmers. 

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.

Trimmer:

 

Tandem:


 

14) Diodos Varicap. Explique su funcionamiento, usos. Ilustre su estructura interior y exterior. Dibuje un circuito electrónico que ejemplifique su utilización

El diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V.

La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensión).

Redacción : Muratore y Labate 

En tecnología de microondas se pueden utilizar como limitadores: al aumentar la tensión en el diodo, su capacidad varía, modificando la impedancia que presenta y desadaptando el circuito, de modo que refleja la potencia incidente.

 

 

 

 

15)Al comprar un capacitor que parámetros se indican comúnmente al vendedor.

En el momento de comprar un capacitor se debe indicar:
*El valor nominal (la capacidad), en picofaradio, microfaradio, etc.
*La máxima tensión de trabajo en voltios.
*Material del capacitor.

Dependiendo del fabricante también puede venir indicado otros parámetros como:
La temperatura.
La máxima frecuencia a la que pueden trabajar. 

16) Indique como se muestra el valor de la capacidad y la tensión maxima de trabajo en los distintos capacitores: Electrolíticos, Poliester, Cerámico, Tantalio.  

Electrolítico: 
1000uf - 50 v

Poliester:
 0,33 uf - 250v


Cerámico:
 0,01 uf - 2.000v 

Tantalio:
100 uf - 16v