''Año de la lucha contra la corrupción e impunidad" ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA CAPACITORES E INDUCTORES DATOS INFORMATIVOS: Facultad Curso Código del curso Área Carácter del curso Ciclo de estudios Semestre Académico Docente responsable : Ingeniería : Circuitos eléctricos. : 1611-0037 : Ciencias de la Ingeniería : Obligatorio : VII : 2019-1 : Ing. Ríos Noriega Fidel DATOS DEL ALUMNO: Cotrina Chauca Jhoseph Ferrer López Breyner Aldair Ipanaque Ruiz Jhonatan Nizama Lezama Daniel 0201416040 0201616019 0201616007 0201616035 Nuevo Chimbote, 15 de junio de 2019 Capacitores e inductores ....................................................................................................................................................................... 1 OBJETIVO GENERAL: ............................................................................................................................ 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ................................................................................................................... 3 FUNDAMENTO TEÓRICO: ..................................................................................................................... 4 CAPACITORES ...................................................................................................................................... 4 CAPACITANCIA ................................................................................................................................ 4 TIPOS DE CAPACITORES .............................................................................................................. 5 PRINCIPIO DE UN CAPACITOR O CONDENSADOR ............................................................... 9 TIPOS DE CONEXIONES DE CAPACITORES .......................................................................... 10 INDUCTORES ...................................................................................................................................... 12 Almacenamiento de energía: ............................................................................................................ 12 Conexiones: ........................................................................................................................................ 13 Tipos de inductores. .......................................................................................................................... 14 APLICACIONES EN LA INDUTRIA .................................................................................................... 17 Capacitores: ........................................................................................................................................... 17 Inductores: ............................................................................................................................................. 19 EQUIPOS Y MATERIALES PRESENTADOS EN CLASE ................................................................ 20 CONCLUSIONES:.................................................................................................................................... 22 RECOMENDACIONES:.......................................................................................................................... 22 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: ................................................................................................... 22 ANEXOS .................................................................................................................................................... 23 CAPACITORES E INDUCTORES OBJETIVO GENERAL: El objetivo de esta práctica es observar e identificar distintos tipos de Capacitores e Inductores, y conocer sus aplicaciones en la industria de ambos dispositivos electrónicos. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: a) Observar e identificar los distintos tipos de Capacitores e Inductores: Desmontaje y reconocimiento de sus partes. b) Conocer sus aplicaciones en la industria de los capacitores: Carga y descarga, reconocimiento el efecto de almacenamiento (campo eléctrico). c) Conocer sus aplicaciones en la industria de los Inductores: Reconocimiento el efecto de almacenamiento (campo magnético). FUNDAMENTO TEÓRICO: CAPACITORES Un capacitor o condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente, al ser introducido en un circuito, se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga. CAPACITANCIA La cantidad de carga que un capacitor puede almacenar por unidad de voltaje entre sus placas es su capacitancia, designada mediante C. Es decir, la capacitancia es una medida de la capacidad de un capacitor de guardar carga. Mientras más carga por unidad de voltaje puede guardar un capacitor, más grande es su capacidad, como lo expresa la fórmula siguiente: 𝐶= 𝑄 𝑉 En donde: C = capacitancia, medida en farad=coulomb/volt. El farad o faradio es la unidad del S. I. para la capacitancia, y su símbolo es: F. Q = carga eléctrica del conductor, medida en coulomb (C). V = potencial eléctrico al que se encuentra el conductor, medido en volt (V). Un farad equivale a la capacidad de un condensador eléctrico que tiene una carga de 1 coulomb cuando su potencial es de 1 volt. La mayoría de los capacitores que se utilizan en trabajos de electrónica tienen valores de capacitancia especificados en microfarads (µF) y picofarads (𝑝𝐹). Un microfarad es un millonésimo de farad (1 𝜇𝐹 = 1 × 10−6 𝐹), y un picofarad es un trillonésimo de farad (1 𝑝𝐹 = 1 × 10−12 𝐹). TIPOS DE CAPACITORES. A. CAPACITORES FIJOS: Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor no se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los nombres del dieléctrico usado. De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos: Cerámicos, Plástico, Mica, Electrolíticos, De doble capa eléctrica. CAPACITORES CERÁMICOS: El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al capacitor grandes inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos: Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien definido y casi constante. Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además de presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias posibilidades de diseño mecánico y eléctrico. Figura 1. Capacitores cerámicos en diferentes valores. Capacitores de plástico: Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas temperaturas de funcionamiento. Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal vaporizado en el segundo). Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales. Capacitores de mica: El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo. Capacitores electrolíticos: En estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos son polarizados. Tiene polaridad, normalmente se marca el negativo con el signo - . El terminal negativo es el de menor longitud. Podemos distinguir dos tipos: Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito de tetraborato armónico. Electrolíticos de tántalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un mismo tamaño. Por otra parte, las tensiones nominales que soportan son menores que los de aluminio y su costo es algo más elevado Las principales características de los capacitores electrolíticos son: Capacitancia en la gama de 1uF a 220.000 uF. Tensiones de trabajo entre 2 y 1.000 V. La corriente de fuga es relativamente alta o sea que el aislamiento no es excelente. Son polarizados, se debe respetar la polaridad. La capacidad aumenta a medida que el capacitor envejece. Tienen una duración limitada. La Capacitancia varía ligeramente con la tensión. Los capacitores electrolíticos no se usan en circuitos de alta frecuencia, se usan en circuitos de baja frecuencia, uso general y corriente continuo. Hay que asegurarse de no conectar el capacitor entre dos puntos del circuito cuya tensión supere la máxima que soporta el capacitor. Figura 2.Capacitores electrolíticos de distintos valores. Capacitores de doble capa eléctrica: Estos capacitores también se conocen como súper capacitores o CAEV debido a la gran capacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los capacitores convencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados. Las características eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como fuente acumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños, corriente de fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión. B. CAPACITORES VARIABLES Y AJUSTABLES: Estos capacitores presentan una capacidad que podemos variar entre ciertos límites. Igual que pasa con las resistencias podemos distinguir entre capacitores variables, su aplicación conlleva la variación con cierta frecuencia (por ejemplo, sintonizadores); y capacitores ajustables o trimmers, que normalmente son ajustados una sola vez (aplicaciones de reparación y puesta a punto). La variación de la capacidad se lleva a cabo mediante el desplazamiento mecánico entre las placas enfrentadas. La relación con que varían su capacidad respecto al ángulo de rotación viene determinada por la forma constructiva de las placas enfrentadas, obedeciendo a distintas leyes de variación, entre las que destacan la lineal, logarítmica y cuadrática corregida. Figura 3. Capacitor ajustable trimmer, capacitor variable tándem respectivamente. PRINCIPIO DE UN CAPACITOR O CONDENSADOR. En su más simple forma, un capacitor es un dispositivo eléctrico que guarda energía eléctrica y se construye con dos placas conductoras paralelas separadas por un material aislante llamado dieléctrico. Los conectores están unidos a las placas paralelas. Figura 4. Capacitor en su forma más simple. Un capacitor guarda energía en la forma de un campo eléctrico establecido por las cargas opuestas almacenadas en las placas. El campo eléctrico está representado por líneas de fuerza entre las cargas positiva y negativa y se concentra en el dieléctrico. Figura 5. En un capacitor, el campo eléctrico guarda energía. TIPOS DE CONEXIONES DE CAPACITORES Los circuitos eléctricos por lo general contienen a dos o más capacitores conectados entre sí, esta conexión puede ser circuito o conexión: en serie, en paralelo, mixta. Capacitores en serie: Un capacitor puede ser armado acoplando otros en serie y/o en paralelo. El acoplamiento de capacitores en serie se realiza conectando en una misma rama uno y otro capacitor, obteniendo una capacidad total entre el primer borne del primer capacitor y el último del último. Capacitores conectados uno después del otro, están conectados en serie. Estos capacitores se pueden reemplazar por un único capacitor que tendrá un valor que será el equivalente de los que están conectados en serie. Para obtener el valor de este único capacitor equivalente se utiliza la fórmula: 𝑉1 = 𝑞 𝑞 𝑞 ; 𝑉2 = ; 𝑉3 = 𝐶1 𝐶2 𝐶3 𝑞 𝑞 𝑞 𝑉 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 = 𝑞 ( + + ) 𝐶1 𝐶2 𝐶3 𝐶𝑒𝑞 = 𝑞 1 = 1 1 1 𝑣 + + 𝐶1 𝐶2 𝐶3 1 1 1 1 = + + 𝐶𝑒𝑞 𝐶1 𝐶2 𝐶3 𝒏 1 𝟏 =∑ 𝐶𝑒𝑞 𝑪𝒋 𝒋=𝟏 Capacitores en paralelo: El tipo de capacitor más común se compone de dos placas paralelas, separadas por una distancia d que es pequeña comparada con las dimensiones lineales de las láminas. El acoplamiento en paralelo de los capacitores se realiza conectándolos a todos a los mismos dos bornes. 𝑞1 = 𝐶1 . 𝑉 𝑞2 = 𝐶2 . 𝑉 𝑞3 = 𝐶3 . 𝑉 𝑞 = 𝑞1 + 𝑞2 + 𝑞3 = (𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3 ). 𝑉 𝐶𝑒𝑞 = 𝑞 = 𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3 𝑉 𝑛 𝐶𝑒𝑞 = ∑ 𝐶𝑗 (𝑛 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜) 𝑗=1 Capacitores conexión mixta: Un circuito mixto es una mezcla de componentes, en este caso condensadores, que sea como dan de tal forma que llegan a formar una combinación de condensadores agrupados de tal forma que la circulación de la corriente no se hace en un solo sentido a lo largo de toda su trayectoria. INDUCTORES Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para incrementar su capacidad de magnetismo. Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor. Almacenamiento de energía: Un inductor guarda energía en el campo electromagnético creado por la corriente. La energía guardada se expresa como sigue: 𝑊 = 1 2 𝐿𝐼 2 Como puede advertirse, la energía guardada es proporcional a la inductancia y al cuadrado de la corriente. Cuando la corriente (𝐼) está en amperes y la inductancia (𝐿) en henries, la energía (𝑊) está en joule. Conexiones: Inductores en serie: Cuando se conectan inductores en serie, la inductancia total, 𝐿𝑇, es la suma de las inductancias individuales. La fórmula para 𝐿𝑇 se expresa en la siguiente ecuación para el caso general de n inductores en serie: 𝐿𝑇 = 𝐿1 + 𝐿2 + 𝐿3+. . + 𝐿𝑛 Inductancia total en paralelo: Cuando se conectan inductores en paralelo, la inductancia total es menor que la inductancia más pequeña. La fórmula general establece que el recíproco de la inductancia total es igual a la suma de los recíprocos de las inductancias individuales. Se puede calcular la inductancia total, LT, tomando el recíproco de ambos miembros de la ecuación. 1 𝐿𝑇 = 𝐿𝑇 = 1 𝐿1 + 1 𝐿2 + 1 𝐿3 … 1 𝐿𝑛 1 1 1 1 1 + + … 𝐿1 𝐿2 𝐿3 𝐿𝑛 Tipos de inductores. 1. Fijos Con Núcleo de Aire: El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas. Figura 6. Inductores con núcleo de aire. Con Núcleo Sólido Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferro magnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas, se usan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L. Las bobinas de nido de abeja: se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Las bobinas de núcleo toroidal: se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión. Las bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita: normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista práctico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor. Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste, pero son difícilmente ajustables mediante núcleo. 2. Variables: También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo. Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma. Desmontaje y reconocimiento de sus partes. Las partes del inductor o bobina son: 1. Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. 2. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. 3. Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. 4. Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro. 5. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia. 6. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina. Figura 7. Partes de Inductores con Núcleo. APLICACIONES EN LA INDUTRIA Capacitores: Los condensadores suelen usarse para: Baterías, por su cualidad de almacenar energía. Memorias, por la misma cualidad. Filtros. Fuentes de alimentación. Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros componentes. Demodular AM, junto con un diodo. Osciladores de todos los tipos. El flash de las cámaras fotográficas. Tubos fluorescentes. Compensación del factor de potencia. Arranque de motores monofásicos de fase partida. Mantener corriente en un circuito y evitar caídas de tensión. Energía almacenada (campo eléctrico): Cuando aumenta la diferencia de potencial entre sus terminales, el condensador almacena carga eléctrica debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior; cuando esta disminuye, el condensador devuelve dicha carga al circuito. Matemáticamente se puede obtener que la energía E, almacenada por un condensador con capacidad C, que es conectado a una diferencia de potencial V1-V2, viene dada por: Fórmula para cualesquiera valores de tensión inicial y tensión final: Donde: 𝑞1 : Carga inicial. 𝑞2 : Carga final. 𝑉1 : Tensión inicial. 𝑉2 : Tensión final. Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes. Carga y descarga Al conectar un condensador en serie con una resistencia, a una fuente de tensión eléctrica (o comúnmente, fuente de alimentación), la corriente empieza a circular por ambos. El condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, las cargas empiezan a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga o energía almacenada en el condensador es nula. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando. Dónde: V(t): es la tensión en el condensador. Vi: es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador. Vf: es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen estacionario t>=4RC) entre las placas del condensador. I(t): la intensidad de corriente que circula por el circuito. RC: es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en ohmios, llamada constante de tiempo. Inductores: Los inductores suelen usarse para: Inductores y capacitores se utilizan en circuitos de audio para filtrar o amplificar frecuencias específicas. Se utilizan como filtros de línea telefónica, para eliminar las señales de alta frecuencia de banda ancha y se colocan en los extremos de los cables de señal para reducir el ruido. En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna, y solo obtener corriente continua en la salida Los transformadores se utilizan principalmente para convertir una tensión a otra. Integran circuitos de filtrado para salidas de fuentes rectificadoras tanto pequeñas como de potencia. Bobinado de electroimanes con CD Los motores de CD poseen inductores para generar los campos magnéticos necesarios para funcionar. Calentamiento por inducción electromagnética (campo magnético). Es un método para suministrar calor en forma rápida, consistente, limpia controlable y eficiente para distintas aplicaciones de manufactura, sobre piezas o partes metálicas o de otros metales conductores de electricidad. Si se coloca un elemento de material ferromagnético dentro de un campo magnético alterno, se inducen corrientes eléctricas mayormente concentradas hacia la superficie, denominadas corrientes parásitas o de Foucault. Estas corrientes se cierran (neutralizan) dentro del mismo medio formando torbellinos, y son las responsables de la generación de calor por el efecto Joule. El campo magnético alterno también produce sucesivas magnetizaciones y desmagnetizaciones en el material sometido al campo, que se traduce en sucesivos ciclos de histéresis, los cuales también producen pérdidas de energía electromagnética que se traducen en calor. Finalmente, el calor se difunde al seno del elemento por conducción. EQUIPOS Y MATERIALES PRESENTADOS EN CLASE En la práctica de laboratorio se nos mostraron distintos tipos de condensadores o capacitores asi como inductores. Los cuales se pueden observar en la parte de anexos. Así mismo también se nos presentaron algunos dispositivos donde son utilizados los inductores y condensadores. Como lo son los siguientes casos: BALUN PAR TV Figura 8. Aplicación de un inductor en Balun para tv. PILA CARGADOR Figura 9. Pila con puerto USB PARLANTE Figura 10. Partes de un parlante usando principio de Bobinado. CONCLUSIONES: a) Se observaron e identificaron los distintos tipos de capacitores e inductores, sus formas geométricas y se desmonta algunos aparatos electrónicos que los contienen como componentes internos. b) Tienen variadas aplicaciones prácticas en la industria de los capacitores. Se experimentó con la carga y descarga, y el reconocimiento del efecto de almacenamiento (campo eléctrico). c) Tienen variadas aplicaciones prácticas aplicaciones en la industria de los Inductores: y el reconocimiento el efecto de almacenamiento (campo magnético). RECOMENDACIONES: Se recomienda siempre elaborar un esquema de cada componente electrónico para un análisis más minucioso y detallado, así se puede entender más fácilmente sus principios de funcionamiento. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku. 2004. Fundamentos de circuitos eléctricos (3ra. Ed.). Mexico D.F Previous editions. S.A. Capacitores. (2019). Recuperado el 9 de Junio de 2019, de http://capacitoressyp.blogspot.pe/ Componentes capacitores. (2019). Recuperado el 10 de Junio de 2019, http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/capacitores/capac.htm Las-bobinas. (2019). Recuperado el 9 de Junio de 2019, de www.electronicafacil.net/tutoriales/Las-bobinas.php Los inductores. (2019). Recuperado el 9 de Junio de 2019, de http://www.ing.unp.edu.ar/electronica/asignaturas/ee016/tutoriales/inductores/inductores. htm ANEXOS Código de colores capacitores o condensadores
