INSTITUTO TECNOLOGICO DE MINATITLANDepartamento de Metal-MecnicaLaboratorio de Electricidad y Magnetismo

Ingeniera Electromecnica

Materia:Electricidad y magnetismo

Semestre: 4

Grupo:2

Trabajo:investigacion documental de la APLICACIN DE los CAPACITORES

Facilitador:Ing. Maximino Paz crdenas

Equipo # 2

hector macario escribanodaniel mayo alorbernardo mendez perezjuan moises olivas cancino

Usos y aplicaciones de capacitores e inductores en la ingeniera.

INTRODUCCION.

Cuando montamos una ratonera tradicional o tensamos de la cuerda de un arco, almacenamos energa mecnica en forma de energa potencial elstica. Un capacitor es un dispositivo que almacena energa potencial elctrica y carga elctrica. Para hacer un capacitor, basta con aislar dos conductores uno del otro. Para guardar energa en este dispositvo, se transfiere carga de un conductor al otro de modo que uno tenga carga negativa, y el otro, una cantidad igual de carga positiva.Tienen un nmero enorme de aplicaciones prcticas en dispositivos como unidades de destello electrnico par fotografa, lseres pulsantes, sensores de bolsas de aire para automvil y receptores de radio y televisin. La relacin de la carga de cada conductor con la relacin a la diferencia de potencial entre los conductores en una constante, llamada capacitancia. La capacitancia depende del tamao y forma de los conductores y del material aislante que esta entre ellos. La capacitancia aumenta cuando est presente un material aislante (un dielctrico).

SMBOLOS ELCTRICOS CONDENSADORES O CAPACITORES

Smbolo general del condensador o.......... capacitor no.............. polarizado

Se utiliza tambin como smbolo general del capacitor no polarizado

Capacitor electroltico polarizado

Capacitor electroltico polarizadoCapacitor ajustable (trimmer)

Capacitor electroltico polarizadoCapacitor pasante

Capacitor electroltico doble, polarizadoCapacitor sensible a variaciones de tensin (polarizado)

Capacitor con armadura anclada a masa o tierraCapacitor sensible a la temperatura (polarizado)

Smbolo general del capacitor variableCapacitor variable en tndem

Capacitor variable de armadura doble

CAPACITORES Y CAPACITANCIA.

En casi todas las aplicaciones prcticas, cada conductor tiene inicialmente una carga neta de cero y se transfieren electrones de un conductor al otro; a esto se le denomina cargar el capacitor. Cuando decimos que un capacitor tiene una carga Q, o que hay una carga Q almacenada en el capacitor, queremos decir que el conductor que esta al potencial ms alto tiene una carga +Q, y el conductor al potencial ms bajo tiene una carga Q. En los diagramas de circuitos los capacitores se representan mediante cualquiera de estos smbolos: Una manera comn de cargar un capacitor consiste en conectar estos dos alambres a bornes opuestos de una batera. Esto proporciona una diferencia de potencial vab fija en los conductores, que es exactamente igual al voltaje de la batera.El campo elctrico en cualquier punto de la regin entre los conductores es proporcional a la magnitud Q de la carga de cada conductor. Se sigue que la diferencia de potencial vab entre los conductores tambin es proporcional a Q. Si se duplica la magnitud de la carga en cada conductor, se duplica la densidad de carga en cada punto, el campo elctrico en cada punto y la diferencia de potencial entre los conductores. Sin embargo, la relacin de carga respecto a la diferencia de potencial no cambia. Esta relacin se conoce como capacitancia C del capacitor:

C=QVab (definicin de capacitancia)

La unidad SI de la capacitancia es un farad (1F), un farad es igual a un coulomb por volt (1C/V):

1F= 1farad=1C/V= 1coulomb/volt

La capacitancia es una medida del alcance de un capacitor para almacenar energa. El valor de la capacitancia depende solo de la forma y el tamao de los conductores y de la naturaleza del material aislante que los separa.

CALCULO DE LA CAPACITANCIA: CAPACITORES EN UN VACIO.

Se calcula la capacitancia C de un determinado capacitor hallando la diferencia de potencial vab entre los conductores con una magnitud de carga Q dada y aplicando en seguida la ecuacin de capacitancia. La capacitancia C de un capacitor de placas paralelas en un vaco es:

C=QVab=0Ad

La capacitancia depende solo de la geometra del capacitor; es directamente proporcional al rea A de cada placa e inversamente proporcional a su separacin d.

Cuando hay materia entre las placas, sus propiedades influyen en la capacitancia. Si A esta en metros cuadrados y d en metros, C est en farads. Las unidades de 0 son C2/Nm2; por lo tanto, vemos que:

1F=1C2/Nm=1C2/J

En vista de que 1V=1 J/C (energa por unidad de carga), esto es congruente con nuestra definicin 1F=1 C/V. por ltimo, las unidades de 0 se puede expresar como 1C2/Nm2=1F/m; por lo tanto,0=8.8510-12F/m

Un farad es una capacitancia muy grande. En muchas aplicaciones las unidades ms convenientes de capacitancia son el micro farad (1f=10-6F) y el pico farad (1pF=10-12F)

CAPACITORES EN SERIE Y PARALELO.

Para obtener los valores necesarios se combinan capacitores. Capacitores en serie. Dos capacitores se conectan en serie, uno enseguida del otro mediante alambres conductores entre los puntos A y B. cuando se aplica una diferencia de potencial Vab positiva y constante entre los puntos A y B los capacitores se cargan. En una conexin en serie la magnitud de la carga de todas las placas es la misma. Las diferencias de potencial entre los puntos a y c, c y b, a y b como:

A Vac=V1=QC1 Vcb=V2=QC2Vab=V1+V2=Q (1C1+1C2)

B

Y por consiguiente VQ=1C1+1C2 La capacitancia equivalente Ceq de la combinacin en serie se define como la capacitancia de un solo capacitor cuya carga Q es la misma que la de la combinacin, cuando la diferencia de potencial V es la misma. 1Ceq=1C1+1C2+1C3+ (capacitores en serie) El reciproco de la capacitancia equivalente de una combinacin en serie es igual a la suma de los recprocos de las capacitancias individuales.

CAPACITORES EN PARALELO.

Dos capacitores estn conectados en paralelo entre los puntos a y b. En este caso las placas superiores de los dos capacitores estn conectadas mediante alambres conductores para formar una superficie equipotencial y las placas inferiores forman otra. Las cargas son:

Q1=C1V y Q2=C2V Cualquier nmero de capacitores en paralelo:

Ceq=C1+C2+C3+ (Capacitores en paralelo) La capacitancia equivalente de una combinacin en paralelo es igual a la suma de las capacitancias individuales.

ALMACENAMIENTO DE LA ENERGIA EN CAPACITORES Y ENERGIA DE CAMPO ELECTRICO.

Muchas de las aplicaciones ms importantes de los capacitores dependen de su alcance para energa. La energa potencial elctrica almacenada en un capacitor cargado es simplemente igual a la cantidad de trabajo que se necesit para cargarlo, es decir, para separas cargas opuestas y colocarlas en conductores diferentes. Cuando se descarga el capacitor, esta energa almacenada se recupera en forma de trabajo realizado por fuerzas elctricas.La energa potencial U de un capacitor cargado se halla calculando el trabajo W que se necesit para cargarlo. Supngase que al terminar de cargar el capacitor la carga final en Q y la diferencia de potencial final es V, entonces:V=QCU=Q22C=12CV2=12QV (energa potencial almacenada en un capacitor)

Energa del campo elctrico.

Se puede cargar un capacitor trasladando electrones directamente de una placa a otra. Se puede pensar que la energa esta almacenada en el campo de la regin comprendida entre las placas. Hallemos la energa por unidad de volumen en el espacio entre las placas de un capacitor de placas paralelas con rea de placa A y separacin d. Llamaremos a esto densidad de energa, y la denotaremos como u. La densidad de energa es: u=densidad de energa=12CV2Adu=120E2 (densidad de energa elctrica en un vaco)

TIPOS DE CAPACITORES.

Existen diversos tipos de capacitores, los cuales posee propiedades y caractersticas fsicas diferentes, entre los cuales se encuentran:

Capacitores elctricos de aluminio Capacitores de tantalio Capacitores elctricos de cermica Capacitores Papel y Plsticos Micas y Vidrios

Caractersticas de los capacitores elctricos de aluminio:

Son populares debido a su bajo costo y gran capacitancia por unidad de volumen Existen en el mercado unidades polarizadas y no polarizadas. Son del tipo de hojas metlicas, con un electrlito que puede ser acuoso, en pasta o "seco" (sin agua).La capacitancia est estrechamente relacionada con la temperatura y puede decrecer en un orden de magnitud desde la temperatura ambiente hasta -55 C. Esta variacin se reduce en capacitores de primera calidad y en productos recientes con formulaciones electrolticas ms complicadas. No estn diseados para aplicaciones a frecuencias elevadas, y la impedancia puede alcanzar un valor mnimo a frecuencias tan bajas como 10 kHz. La corriente de fuga disminuye durante la operacin. En el uso normal, la corriente de fuga aumenta con el voltaje aplicado y con la temperatura. Como gua muy general, la corriente se duplica a medida que el voltaje aplicado se incrementa del 50 al 100% del valor nominal, y se duplica por cada 25 C de aumento en la temperatura. Presentan un decremento gradual en capacitancia sobre un largo periodo, debido a la prdida de electrlito a travs de los sellos, aunque con los tipos recientes de empaque se ha reducido de manera significativa este deterioro, y los capacitores presentan en la actualidad un decremento del 10%, o menor, al cabo de 10 000 horas.

Otro problema que debe observarse implica el empleo de ciertos agentes limpiadores en los tableros de circuitos impresos. El cloro de los solventes de hidrocarburos halogenados, como el fren, puede penetrar por los sellos y atacar la estructura interna del aluminio, provocando la falla en poco tiempo. Para la limpieza se recomienda xileno, alcoholes y ciertos tipos de detergentes exentos de cloro.

Caracterstica de los capacitores elctricos de tantalio:

Son ms flexibles y confiables, y presentan mejores caractersticas que los electrolticos de aluminio, pero tambin su costo es mucho ms elevado.

Existen tres tipos:

Capacitores de hojas metlicas (lminas): Se elaboran del mismo modo que los electrolticos de aluminio, Los alambres conductores de tantalio se sueldan por puntos tanto a la lmina del nodo como a la del ctodo, las cuales se arrollan despus con separadores de papel en un rollo compacto. Este rollo se inserta dentro de una envoltura metlica y, a fin de mejorar el rendimiento, se agrega un electrlito idneo, como etilenglicol o dimetilformamida con nitruro de amonio, pentaborato de amonio o polifosfatos. Capacitores de hojas de tantalio Existen en el mercado en tamaos que varan de 0.12 hasta 3 500 mF, a voltajes hasta de 450 V 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 hmedo, y cuando se requieren calidades superiores a las de los electrolticos de aluminio, a pesar del mayor costo. Las desventajas, en comparacin con otros tipos de capacitores de tantalio, son: gran tamao, elevadas corrientes de fuga y gran variacin en la capacitancia con la temperatura. La principal aplicacin de estos condensadores se encuentra en filtros de fuentes de Alimentacin.

Capacitores de tantalio slido:

Parecido a la versin hmeda, en cuanto a sus etapas iniciales de manufactura.No hay lquido que se evapore, y el electrlito slido es estable.La variacin de la capacitancia es muy pequea: 10% respecto de su valor a temperatura ambiente en todo el intervalo de temperatura desde -55 hasta 125 C.Por desgracia, ni el electrlito ni el dielctrico presentan las cualidades de autorreparacin asociadas con otros capacitores electrolticos. Para proteger los condensadores de fallas tempranas debidas a defectos del xido y del electrlito se recomienda su envejecimiento conectado durante 100 h a voltaje nominal y temperatura mxima, empleando una fuente de energa de baja impedancia. Adems, se recomienda que el voltaje de operacin no exceda el 60% del voltaje nominal. Caractersticas de los capacitores elctricos de CermicaBajo costo, reducido tamao, amplio intervalo de valor de capacitancia y aplicabilidad general en la electrnica. Son particularmente idneos para aplicaciones de filtrado, derivacin y acoplamiento de circuitos hbridos integrados, en las que es posible tolerar considerables cambios en la capacitancia. Se elaboran en forma de disco, como capacitores de capas mltiples o monolticos, o en forma tubular. El material dielctrico es principalmente titanato de bario, titanato de calcio o dixido de titanio con pequeas cantidades de otros aditivos para obtener las caractersticas deseadas.

Caractersticas de los capacitores elctricos de papel o plstico:

El papel, el plstico y las combinaciones de ambos se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, como filtrado, acoplamiento, derivacin, cronometraje y suspensin de ruido. Son capaces de funcionar a altas temperaturas, poseen alta resistencia de aislamiento, buena estabilidad. La propiedad de autorreparacin de las pelculas metlicas es bastante til en ciertas aplicaciones. La disponibilidad de pelculas extremadamente delgadas y la gran variedad de materiales proporciona la flexibilidad necesaria para un gran intervalo de aplicaciones.La capacitancia vara con la temperatura de un dielctrico a otro.Los capacitores de papel y plstico pueden emplearse a altas frecuencias, segn el tamao y la longitud de las puntas.

Caracterstica de los capacitores de mica y vidrio:

Los capacitores con dielctrico de mica y vidrio se aplican cuando se requiere carga elctrica alta y excelente estabilidad con respecto a la temperatura y frecuencia.Los capacitores de mica existen en el mercado con una gran diversidad de tamaos.Tanto los capacitores de mica como los de vidrio son estables con respecto a la temperatura. Para algunos valores de capacitancia es posible que el coeficiente de temperatura sea cero. Ambos tipos de capacitores pueden operar a alta frecuencia. La frecuencia de autorresonancia es de unos 10 MHz para grandes valores del capacitor y mayor de 100 MHz para valores ms pequeos

IDENTIFICACIN DE CAPACITORES

Vamos a disponer de un cdigo de colores, cuya lectura vara segn el tipo de condensador, y un cdigo de marcas, particularizado en los mismos. Primero determinaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro de estos.

Las principales caractersticas que nos vamos a encontrar en los capacitores van a ser la capacidad nominal, tolerancia, tensin y coeficiente de temperatura, aunque dependiendo de cada tipo traern unas caractersticas u otras.En cuanto a las letras para la tolerancia y la correspondencia nmero-color del cdigo de colores, son lo mismo que para resistencias. Debemos destacar quela fuente ms fiable a la hora de la identificacin son las caractersticas que nos proporciona el fabricante.

Capacitores electrolticos

Estos capacitores siempre indican la capacidad en microfaradios y la mxima tensin de trabajo en voltios. Dependiendo del fabricante tambin pueden venir indicados otros parmetros como la temperatura y la mxima frecuencia a la que pueden trabajar. Tenemos que poner especial atencin en la identificacin de la polaridad. Las formas ms usuales de indicacin por parte de los fabricantes son las siguientes:

Capacitores de tantalio

Actualmente estos capacitores no usan el cdigo de colores (los ms antiguos, s). Con el cdigo de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la mxima tensin de trabajo en voltios. El terminal positivo se indica con el signo +:

Condensador de alta capacidad

Los condensadores electroqumicos de doble capa, tambin conocidos como supercondensadores, supercapacitores, pseudocapacitores, ultracondensadores, ultracapacitores o simplemente EDLC por sus siglas en ingls, son dispositivos electroqumicos capaces de sustentar una densidad de energa inusualmente alta en comparacin con los condensadores normales, presentando una capacitancia miles de veces mayor que la de los electrolticos de alta capacidad.

Usos y Aplicaciones del capacitor

En el caso de los filtros de alimentadores de corriente se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. Tambin son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente alterna pero no corriente continua. Los condensadores electrolticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construccin de filtros de muy baja frecuencia. Circuitos temporizadores. Filtros en circuitos de radio y TV. Fuentes de alimentacin. Arranque de motores.

Automviles hbridos

Por la eficiencia en el uso de la energa estos dispositivos son un elemento prometedor para el desarrollo de medios de transporte que combinen la energa solar con la proveniente de combustibles fsiles. Su aprovechamiento se debe fundamentalmente a que permiten una mejor descarga de energa durante la aceleracin del vehculo. En la prueba realizada en el 2000 para los nuevos autobuses de transporte de la NASA que con el uso de condensadores se poda acelerar a 157 pies en 10 segundos con el mnimo de prdidas de energa.Un desarrollo importante es el uso de supercondensadores para el desarrollo de la unidad de apoyo auxiliar (APU por sus siglas en ingls). Freightliner y Delphi demostraron su uso en sistemas automotrices de pasajeros, aunque BMW argumenta que hay poca sensibilidad para su regulacin debido a las modificaciones hechas a la gasolina para reducir la emisin de contaminantes, por lo que es viable instalarlos en sistemas basados en hidrgeno.

Apoyo energtico

Muchos proyectos en ingeniera, como el diseo de elevadores, requieren de ciclos donde en una etapa se requiera una baja descarga de energa y otros de una alta descarga (como cuando el elevador desciende y asciende). Esta demanda requiere de sistemas que permitan una regulacin precisa de la energa suministrada y una alta capacidad de almacenamiento de energa. De esta manera los sper condensadores suministran la energa necesaria para subir el elevador sin necesidad de sobrecargar la red elctrica.

Aplicaciones de energa solar

En aplicaciones de energa solar es necesario estabilizar la tensin suministrado por las fotoceldas, por lo que se utilizan sper condensadores de 2400 F dispuestos en paralelo para estabilizar el suministro de energa elctrica.De las fotoceldas generalmente se traslada la diferencia de potencial a una vlvula de regulacin de descarga cida. Actualmente se estudia la manera de controlar la tensin a travs de un banco de sper condensadores que permite disminuir los picos de tensin y proveer una corriente constante de 1.37 A por 45 segundos cada hora, gracias al almacenamiento de energa en el condensador y su liberacin estable en un circuito equivalente RLC.

Almacenamiento de energa

Uno de los usos ms extendidos de supercondensadores es su uso en sistemas microelectrnicos, memorias de computadoras y relojes y cmaras de alta precisin. Su uso permite mantener el funcionamiento de los dispositivos durante horas e incluso das.

Sistemas de transferencia de energa

Una aplicacin estudiada ampliamente en la actualidad es el uso de supercondensadores en sistemas UPS unido a sistemas de transferencia de energa acoplados por induccin (ICPT). Se utilizan para facilitar la transferencia de energa, hacer ms eficiente la carga de energa elctrica, permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas elctricos.

Sistemas de transferencia de potencia

En el rea de energa las propiedades de los supercondensadores son de gran importancia para la transferencia de energa. Los sistemas STATCOM (Compensadores Estticos) son dispositivos de la familia de los sistemas de transmisin de corriente flexible alternante (FACTS), y se utiliza para el control de los picos de tensin en sistemas elctricos. Cuando se conectan con sistemas de transferencia de potencia a elementos STATCOM, se produce una gran inductancia que produce un incremento en la corriente y picos de tensin, por lo que es necesario tener condensadores de gran capacitancia para compensar este fenmeno. Su uso permite mantener una corriente constante y menores picos de tensin para facilitar la transmisin de la energa elctrica. Los supercondensadores prometen llenar la brecha entre los condensadores y bateras. Los EDLCs tienen una variedad de aplicaciones comerciales, especialmente en "suavizacin de energa" y los dispositivos de carga momentnea. Dentro de sus primeros usos cabe destacar como fuente de energa para el arranque de motores en grandes tanques de guerra y submarinos. Debido a que se ha reducido el coste de produccin, han comenzado a aparecer en los camiones diesel y en locomotoras. Ms recientemente se han convertido en un tema de gran inters en la llamada Energa verde, pues su capacidad de absorber energa rpidamente los hace particularmente adecuados para aplicaciones de freno regenerativo. Mientras que las pilas, por otro lado, tienen dificultades en esta tarea debido su lenta velocidad de carga. Por su tamao y peso reducido, los EDLCs, se estn adaptando para almacenar electricidad en vehculos elctricos.Un condensador de alta capacidad tiene un gran rendimiento (el 98% de la carga se devuelve); almacena mucha energa en relacin a su peso (4Wh/kg), aunque no tanto como una batera; no presentan efecto memoria y tienen una gran capacidad de carga y descarga rpida (5kW/kg).