EL CONDENSADOR - Ingeniería

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
LABORATORIO DE CIRCUITOS II
PRÁCTICA N°2
“MEDICIÓN DE ELEMENTOS PASIVOS”
OBJETIVOS
-
Afianzar los conceptos de inductancia y capacitancia.
-
Realizar el montaje de algunos circuitos básicos para realizar futuros diseños.
-
Mirar el comportamiento del condensador y la bobina ante una excitación senoidal.
-
Hallar las constantes de tiempo de algunos circuitos básicos.
MARCO TEORICO
EL CONDENSADOR
Un condensador es un elemento de dos terminales formado por dos placas conductoras
separadas por un material no conductor. La carga eléctrica se almacena en las placas y
entre las placas se encuentra un material dieléctrico. El valor de la capacitancia es
directamente proporcional a la constante dieléctrica y el área superficial del material
dieléctrico e inversamente proporcionala su espesor. Para obtener mayor capacitancia es
necesaria una estructura muy delgada con un área grande. La capacitancia para un
condensador de placas paralelas se define con la expresión:
ε A
C=
d
Donde ε es la constante dieléctrica, A el área de las placas y d el espacio de separación
entre las placas.
1
Símbolos del condensador :
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES:
Capacidad nominal: Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación. Se
marca en el cuerpo del componente mediante un código de colores o directamente con
su valor numérico.
Tolerancia: Diferencia entre las desviaciones, de capacidad, superiores o inferiores
según el fabricante.
Tensión nominal: Es la tensión que el condensador puede soportar de una manera
continua sin sufrir deterioro.
TIPOS DE CONDENSADORES:
Condensadores cerámicos
El dieléctrico utilizado por estos condensadores es la cerámica, siendo el material más
utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al condensador 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. Se caracterizan por su elevada
permitividad.
Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias
posibilidades de diseño mecánico y eléctrico.
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.
2
Condensador cerámico de disco
Condensador cerámico de placa
Condensadores de mica
El dieléctrico utilizado en este tipo de condensadores 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.
Son condensadores estables que pueden soportar tensiones altas, ya que la rigidez
dieléctrica que presenta es muy elevada. Sobre todo se emplean en circuitos de alta
frecuencia. Se utilizan en gamas de capacidades comprendidas entre 5pf y 100000pF.
La gama de tensiones para las que se fabrican suelen ser altas (hasta 7500v). Se están
sustituyendo por los de vidrio, de parecidas propiedades y más barato.
Condensadores de papel
El dieléctrico es de celulosa impregnada con resinas o parafinas. Destaca su reducido
volumen y gran estabilidad frente a cambios de temperatura. Tienen la propiedad de
autorregeneración en caso de perforación. Las armaduras son de aluminio. Se fabrican
en capacidades comprendidas entre 1uF y 480uF con tensiones entre 450v y 2,8Kv.
Se emplean en electrónica de potencia y energía para acoplamiento, protección de
impulsos y aplanamiento de ondulaciones en frecuencias no superiores a 50Hz.
3
Condensadores de plástico
Estos condensadores 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:
KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.
KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno.
MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado.
MKY: dieléctrco de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado.
MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno (poliéster).
MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el
dieléctrico.
A nivel orientativo estas pueden ser las características típicas de los condensadores de
plástico:
TIPO CAPACIDAD TOLERANCIA
TENSION
TEMPERATURA
KS
2pF-330nF
+/-0,5% +/-5%
25V-630V
-55ºC-70ºC
KP
2pF-100nF
+/-1% +/-5%
63V-630V
-55ºC-85ºC
MKP 1,5nF-4700nF +/-5% +/-20% 0,25KV-40KV
-40ºC-85ºC
MKY 100nF-1000nF +/-1% +/-5% 0,25KV-40KV
-55ºC-85ºC
MKT 680pF-0,01mF +/-5% +/-20%
25V-630V
-55ºC-100ºC
MKC 1nF-1000nF
25V-630V
-55ºC-100ºC
+/-5% +/-20%
Sus características más importantes son: gran resistencia de aislamiento (lo cual permite
conservar la carga gran tiempo), volumen reducido y excelente comportamiento a la
humedad y a las variaciones de temperatura, además, tienen la propiedad de
autorregeneración en caso de perforación en menos de 10s. Los materiales más
utilizados son: poliestireno (styroflex), poliester (mylar), policarbonato (Macrofol) y
politetrafluoretileno (teflón). Se fabrican en forma de bobinas o multicapas.
También se conocen como MK. Se fabrican de 1nF a 100.
Condensador de plástico bobinado. 1 y 2 son las dos hojas de plástico y a y b son dos
hojas de aluminio enrolladas conjuntamente.
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Condensadores electrolíticos
En estos condensadores 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 aparecen polarizados.
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 coste es algo más elevado.
Permiten obtener capacidades elevadas en espacios reducidos. Actualmente existen dos
tipos: los de aluminio, y los de tántalo. El fundamento es el mismo: se trata de depositar
mediante electrolisis una fina capa aislante. Los condensadores electrolíticos deben
conectarse respetando su polaridad, que viene indicada en sus terminales, pues de lo
contrario se destruiría.
Símbolo de un condensador electrolítico y de tántalo
Condensador electrolítico
Condensador de tántalo
Condensadores de doble capa eléctrica
Estos condensadores también se conocen como supercondensadores o CAEV debido a
la gran capacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los
condensadores convencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados.
Las características eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como
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fuente acumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños,
corriente de fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión.
Condensadores variables
Estos condensadores presentan una capacidad que podemos variar entre ciertos límites.
Igual que pasa con las resistencias podemos distinguir entre condensadores variables, su
aplicación conlleva la variación con cierta frecuencia (por ejemplo sintonizadores); y
condensadores 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 enfrentedas, obedeciendo a distintas leyes de variación, entre
las que destacan la lineal, logarítmica y cuadrática corregida.
Constan de un grupo de armaduras móviles, de tal forma que al girar sobre un eje se
aumenta o reduce la superficie de las armaduras metálicas enfrentadas, variándose con
ello la capacidad.
El dieléctrico empleado generalmente es aire, aunque también se incluye mica o
plástico.
Condensadores ajustables
Denominados también trimmers, los tipos más utilizados son los de mica, aire y
cerámica.
6
IDENTIFICACIÓN DE CONDENSADORES:
Vamos a disponer de un código de colores, cuya lectura varía según el tipo de
condensador, y un código de marcas, particularizado en los mismos. Primero
determinaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro de
estos.
Las principales características que nos vamos a encontrar en los condensadores van a
ser la capacidad nominal, tolerancia, tensión y coeficiente de temperatura, aunque
dependiendo
de
cada
tipo
traerán
unas
características
u
otras.
En cuanto a las letras para la tolerancia y la correspondencia número-color del código
de colores, son lo mismo que para resistencias. Debemos destacar que la fuente más
fiable a la hora de la identificación son las características que nos proporciona el
fabricante.
LAS BOBINAS
Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se
hacen circular por ellas una corriente eléctrica. Se fabrican arrollando un hilo conductor
sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire. Su unidad de medida es el Henrio
(H) en el Sistema Internacional perogeneralmente se emplean los submúltiplos µH y
mΗ.
Bobina
Bobina con tomas fijas
Bobina con núcleo electromagnético
Bobina con núcleo ferroxcube
Bobina blindada
Bobina electroiman
Bobina Ajustable
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Bobina variable
Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento.
Su aplicación principal es como filtro en un circuito electrónico, denominándose
comúnmente, choques.
CARACTERÍSTICAS DE LAS BOBINAS:
2. Permeabilidad magnética: Es una característica que tiene gran influencia sobre el
núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los
materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y
producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales
presentan menos sensibilidad a los campos magnéticos. El factor que determina
la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad
magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es.
2. Factor de calidad (Q): Relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la
bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al
hilo de la misma.
TIPOS DE BOBINAS:
1. FIJAS
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.
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
ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan
potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan
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.
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Bobina de ferrita
Bobina de ferrita de nido de abeja
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.
Bobinas de ferrita para SMD
Bobinas con núcleo toroidal
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.
Bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita
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La bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con
aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista practico ya que, permite
emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.
Bobinas grabadas sobre el cobre
Las bobinas grabadas sobre el cobre , en un circuito impreso tienen la ventaja de su
mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo.
IDENTIFICACIÓN DE LAS BOBINAS :
Las bobinas se pueden identificar mediante un código de colores similar al de las
resistencias o mediante serigrafía directa.
Las bobinas que se pueden identificar mediante código de colores presentan un aspecto
semejante a las resistencias.
El valor nominal de las bobinas viene marcado en microhenrios µH.
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PRÁCTICA
NOMBRES:
DOCUMENTO:
.
.
Los resultados de la práctica deberán ser consignados en las hojas siguientes, y en el
correspondiente espacio dejado para tal fin. Estas hojas se entregarán en el mismo
momento en que se finaliza la práctica.
COMPONENTES
CANTIDAD
1
4
2
2
2
4
4
2
2
DESCRIPCIÓN
Board (pequeño)
Caimanes
Condensadores de 1nF
Condensadores de 10nF
Condensadores de 100nF
Resistencias de 1K
Resistencias de 100
Bobinas de 1mH
Bobinas de 100µH
PROCEDIMIENTO
A. MEDIDA DE CONDENSADORES
Hacer el montaje del siguiente circuito y contestar las preguntas.
- Encuentre la ecuación para el voltaje de salida________________________________
- ¿ Cuál es el valor del τ del circuito?________________________________________
- Alimente el circuito con una señal senoidal de 5Vpp.
A1. Condensadores de 1nF y resistencias de 1K
-
Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax,
anote el resultado para cada condensador de 1nF.
11
C1 de 1nf
Vmax c1nf = _____________
C2 de 1nf
Vmax c1nf = _____________
- Divida Vmax por 2 , anote el resultado.
Vmax
C1 1nf
= ______________
2
C2 1nf
-
Vmax
2
= ______________
Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace
que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote
el valor mostrado en el generador.
C1 1nf
f c = _____________
C2 1nf
f c = _____________
-
La frecuencia fc se conoce como frecuencia de corte, que será vista en mayor detalle
en una práctica siguiente. Es posible hallar indirectamente el valor del condesador
utilizando dicha frecuencia, atraves de la relación:
-
C=
1
π R fc
Anote el valor obtenido para cada condensador
C1 1nf
C1 = _____________
C2 1nf
C2 = _____________
- ¿Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador?
C1 1nf
Error = _____________
C2 1nf
Error = _____________
f
A
Error =
ValorTeorico − ValorMedido
ValorTeorico
Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la
frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc.
100
500
1000 10000 50000 100000 200000 fc
5x105 1x106 2x106
12
- ¿ Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
A2. Condensadores de 10nF y resistencias de 1K
-
Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax,
anote el resultado para cada condensador de 10nF .
C3 10nf
Vmax c10nf = _____________
C4 10nf
Vmax c10nf = _____________
- Divida Vmax por 2 , anote el resultado.
Vmax
C3 10nf
= ______________
2
C4 10nf
-
Vmax
2
= ______________
Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace
que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote
el valor mostrado en el generador.
C3 10nf
f c = _____________
C4 10nf
f c = _____________
-
La frecuencia fc se conoce como frecuencia de corte, que será vista en mayor detalle
en una práctica siguiente. Es posible hallar indirectamente el valor del condesador
utilizando dicha frecuencia, atraves de la relación:
1
π R fc
Anote el valor obtenido para cada condensador
C=
C3 10nf
C3 = _____________
C4 10nf
C4 = _____________
13
- ¿Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador?
C3 10nf
Error = _____________
C4 10nf
Error = _____________
f
A
Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la
frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc.
100
500
800
1000 5000 10000 20000 fc
5x104 1x105 1x106
- ¿ Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
A3. Tabla de condensadores:
Escribir el valor de los condensadores dados por el fabricante, el valor hallado en la
practica y el error porcentual.
Valor Fabricante
Valor Practica
Error
C1
C2
C3
C4
¿Qué puede concluir de los valores obtenidos?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
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B. MEDIDA DE BOBINAS
Hacer el montaje del siguiente circuito y contestar las preguntas.
- Encontrar la ecuación para el voltaje de salida________________________________
- ¿ Cuál es el valor del τ del circuito?________________________________________
- Alimente el circuito con una señal senoidal de 5Vpp
B1. Bobinas de 1mH y resistencias de 1K
-
Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax,
anote el resultado para cada inductancia de 1mH.
L1 1mH
Vmax lmH = _____________
L2 1mH
Vmax lmH = _____________
- Divida Vmax por 2 , anote el resultado.
Vmax
L1 1mH
= ______________
2
L2 1mH
-
Vmax
2
= ______________
Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace
que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote
el valor mostrado en el generador.
L1 1mH
f c = _____________
L2 1mH
f c = _____________
15
-
El valor encontrado en el punto anterior sirve para hallar el valor de las inductancias
indirectamente con la ecuación:
R
L=
π fc
Anote el valor obtenido para cada condensador
L1 1mH
L1 = _____________
L2 1mH
L2 = _____________
- ¿Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador?
L1 1mH
Error = _____________
L2 1mH
Error = _____________
F
A
Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la
frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc.
100
500
1000 10000 50000 100000 200000 fc
5x105 1x106 2x106
- ¿ Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
B2. Bobinas de 100µH y resistencias de 100
-
Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax,
anote el resultado para cada inductancia de 100µH.
L3 100µH
Vmax 100µH = _____________
L4 100µH
Vmax 100µH = _____________
- Divida Vmax por 2 , anote el resultado.
Vmax
L3 100µH
= ______________
2
L4 100µH
Vmax
2
= ______________
16
-
Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace
que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote
el valor mostrado en el generador.
L3 100µH
f c = _____________
L4 100µH
f c = _____________
-
El valor encontrado en el punto anterior sirve para hallar el valor de los
condensadores indirectamente con la ecuación:
R
L=
π fc
Anote el valor obtenido para cada condensador
L3 100µH
L3 = _____________
L4 100µH
L4 = _____________
- ¿Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador?
L3 100µH
Error = _____________
L4 100µH
Error = _____________
F
A
Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la
frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc
100
500
1000 10000 50000 100000 200000 fc
5x105 1x106 2x106
- ¿ Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
B3. Tabla de bobinas:
Escribir el valor de las bobinas dados por el fabricante, el valor hallado en la practica y
el error porcentual.
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Valor Fabricante
Valor Practica
Error
L1
L2
L3
L4
¿Qué puede concluir de los valores obtenidos?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
CONCLUSIONES GENERALES DE LA PRACTICA:
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