La base de componentes electrónicos para el diseño de dispositivos electrónicos es cada vez más complicada. Los dispositivos se combinan en circuitos integrados con funcionalidad definida y control por software. Pero en el centro del desarrollo están los dispositivos básicos: condensadores, resistencias, diodos y transistores.
Contenido
¿Qué es un condensador?
Un aparato que almacena electricidad en forma de cargas eléctricas se llama condensador.
En física, la cantidad de electricidad o carga eléctrica se mide en culombios (Cl). La capacidad eléctrica se mide en faradios (F).
Un conductor solitario con una capacitancia eléctrica de 1 faradio es una bola metálica con un radio igual a 13 radios solares. Por lo tanto, un condensador incluye al menos 2 conductores, que están separados por un dieléctrico. En los diseños de dispositivos sencillos es de papel.
El funcionamiento de un condensador en un circuito de corriente continua tiene lugar cuando se enciende y se apaga la fuente de alimentación. Sólo durante los transitorios cambia el potencial en las bobinas.
El condensador de un circuito de CA se recarga a una frecuencia igual a la de la tensión de alimentación. Como resultado de la carga y descarga continuas, la corriente fluye a través del elemento. Una mayor frecuencia significa una recarga más rápida del dispositivo.
La resistencia de un circuito con un condensador depende de la frecuencia de la corriente. A una frecuencia de CC nula, el valor de la resistencia tiende a infinito. Con el aumento de la frecuencia de CA, la resistencia disminuye.
Cuando se utilizan condensadores
El funcionamiento de los aparatos electrónicos, de radio y eléctricos no es posible sin condensadores.
En ingeniería eléctrica, se utilizan para el cambio de fase en el arranque de motores asíncronos. Sin el cambio de fase, un motor de inducción trifásico en una red monofásica alterna no funcionará.
Los condensadores con una capacidad de varios faradios -condensadores iónicos- se utilizan en los vehículos eléctricos como fuentes de energía para el motor.
Para entender por qué se necesita un condensador, es importante saber que entre el 10 y el 12% de los dispositivos de medición funcionan según el principio de cambio de la capacitancia eléctrica con los cambios en el entorno externo. La respuesta de la capacitancia de los dispositivos especiales se utiliza para:
- registrar los movimientos débiles aumentando o disminuyendo la distancia entre las conchas;
- detectar la humedad mediante el registro de los cambios en la resistencia dieléctrica;
- medir el nivel de un líquido que modifica la capacitancia de un elemento cuando se llena.
Es difícil imaginar el diseño de los automatismos y la protección de los relés sin condensadores. Algunas lógicas de protección tienen en cuenta la multiplicidad de sobrecarga del dispositivo.
Los elementos capacitivos se utilizan en los circuitos de los dispositivos de telefonía móvil, radio y televisión. Los condensadores se utilizan en:
- Amplificadores de alta y baja frecuencia;
- de las fuentes de alimentación;
- filtros de frecuencia;
- amplificadores de sonido;
- procesadores y otros microcircuitos.
Es fácil encontrar la respuesta a la pregunta de para qué sirve un condensador mirando los diagramas de cableado de los aparatos electrónicos.
Principio del condensador
En un circuito de corriente continua, las cargas positivas se acumulan en una placa y las negativas en la otra. Mediante la atracción mutua, las partículas se mantienen unidas en el dispositivo y el dieléctrico entre ellas impide que se conecten. Cuanto más fino sea el dieléctrico, más fuerte será la conexión de las cargas.
El condensador toma la cantidad de electricidad necesaria para llenar la capacitancia y la corriente se detiene.
Con una tensión constante en el circuito, el elemento mantiene la carga hasta que se desconecta la alimentación. A continuación, se descarga a través de las cargas del circuito.
La corriente alterna fluye a través de un condensador de forma diferente. El primer ¼ del periodo de oscilación es el momento de carga del dispositivo. La amplitud de la corriente de carga disminuye exponencialmente y cae a cero al final del trimestre. El CEM alcanza una amplitud en este punto.
En el segundo ¼ del período la FEM disminuye y la célula comienza a descargarse. La disminución del CEM al principio es pequeña y también lo es la corriente de descarga. Aumenta según la misma relación exponencial. Al final del período, el CEM es cero y la corriente es igual a su valor de amplitud.
En el tercer ¼ del periodo de oscilación el CEM cambia de dirección, pasa por encima de cero y aumenta. El signo de la carga en las bobinas se invierte. La corriente disminuye su magnitud y mantiene su dirección. En este punto, la corriente eléctrica se adelanta 90° a la tensión en fase.
En los inductores ocurre lo contrario: la tensión se adelanta a la corriente. Esta propiedad es lo primero que hay que tener en cuenta a la hora de decidir si se utilizan circuitos RC o RL.
Al final del ciclo, en el último ¼ de la oscilación, la FEM cae a cero y la corriente alcanza su valor de amplitud.
"La capacitancia se descarga y se carga 2 veces por período y conduce una corriente alterna.
Se trata de una descripción teórica de los procesos. Para entender cómo funciona un elemento de un circuito directamente en el dispositivo, calcula la resistencia inductiva y capacitiva del circuito, los parámetros de los demás participantes y ten en cuenta la influencia del entorno externo.
Principales características y propiedades
Los parámetros de los condensadores que se utilizan para construir y reparar dispositivos electrónicos incluyen:
- Capacitancia - C. Determina la cantidad de carga que mantiene el dispositivo. El valor de la capacidad nominal está indicado en la caja. Las células se conectan en un circuito en paralelo o en serie para crear los valores requeridos. Los valores de funcionamiento no coinciden con los valores calculados.
- La frecuencia de resonancia es fp. Si la frecuencia de la corriente es superior a la frecuencia de resonancia, se ponen de manifiesto las propiedades inductivas del elemento. Esto dificulta el funcionamiento. Para garantizar la potencia nominal en el circuito, es conveniente utilizar el condensador a frecuencias inferiores a los valores de resonancia.
- La tensión nominal es Un. Para evitar la rotura de los elementos, la tensión de funcionamiento se ajusta a un valor inferior a la tensión nominal. Esto se indica en el cuerpo del condensador.
- Polaridad. Si se conecta de forma incorrecta, se producirá una avería y un fallo.
- Resistencia de aislamiento eléctrico - Rd. Determina la corriente de fuga del dispositivo. En los dispositivos, las piezas están situadas cerca unas de otras. Las corrientes de fuga elevadas pueden provocar conexiones parásitas en los circuitos. Esto da lugar a fallos de funcionamiento. La corriente de fuga perjudicará las propiedades capacitivas del elemento.
- El coeficiente de temperatura - TKE. El valor determina cómo cambia la capacitancia de un dispositivo debido a las variaciones de temperatura en el entorno. Este parámetro se utiliza cuando se diseñan dispositivos para su uso en entornos difíciles.
- Efecto piezoeléctrico parásito. Algunos tipos de condensadores crean ruido en los dispositivos cuando se deforman.
Tipos y clases de condensadores
Los elementos capacitivos se clasifican según el tipo de dieléctrico utilizado en su construcción.
Condensadores de papel y metal
Los elementos se utilizan en circuitos con tensiones continuas o débilmente pulsantes. La simplicidad del diseño se traduce en una estabilidad de las características entre un 10 y un 25% menor y en un aumento del valor de las pérdidas.
En los condensadores de papel, las cubiertas de papel de aluminio están separadas por papel. Los conjuntos se retuercen y se colocan en una carcasa cilíndrica o rectangular con forma de paralelepípedo.
Los dispositivos funcionan a temperaturas de -60...+125°C, con una tensión nominal de hasta 1600V para los dispositivos de baja tensión y superior a 1600V para los de alta tensión, y con una capacidad de hasta decenas de μF.
En los dispositivos de papel-metal, se aplica una fina capa de metal al papel dieléctrico en lugar de una lámina. Esto ayuda a fabricar componentes más pequeños. En caso de una pequeña avería, el dieléctrico puede autorrepararse. Las celdas de metal-papel son inferiores a las de papel en cuanto a la resistencia del aislamiento.
Condensadores electrolíticos
La construcción de estos productos es similar a la de los condensadores de papel. Pero en la fabricación de células electrolíticas, el papel se impregna de óxidos metálicos.
En un producto electrolítico sin papel, el óxido se aplica a un electrodo metálico. Los óxidos metálicos tienen una conductividad unidireccional, lo que hace que el dispositivo sea polar.
En algunos modelos de celdas electrolíticas, las cubiertas están hechas con ranuras que aumentan la superficie del electrodo. Los huecos entre las placas se eliminan rellenándolos con electrolito. Esto mejora las propiedades capacitivas del producto.
La alta capacitancia de los dispositivos electrolíticos, cientos de μF, se utiliza en los filtros para suavizar las ondas de tensión.
Aluminio electrolítico
En este tipo de instrumento, la placa anódica es de papel de aluminio. La superficie está recubierta de un óxido metálico, el dieléctrico. La almohadilla catódica es un electrolito sólido o líquido, que se selecciona para que la capa de óxido de la lámina se regenere durante el funcionamiento. La autorreparación del dieléctrico prolonga el tiempo de funcionamiento del elemento.
Los condensadores de este diseño requieren el cumplimiento de la polaridad. Si se invierte la polaridad, se romperá la caja.
Los dispositivos que llevan en su interior conjuntos polares contrapuestos se utilizan en 2 direcciones. Las células electrolíticas de aluminio tienen una capacidad de hasta varios miles de µF.
Electrolítico de tantalio
El electrodo del ánodo de estos dispositivos está hecho de una estructura porosa, que se obtiene calentando hasta 2000°C el polvo de tantalio. El material tiene un aspecto esponjoso. La porosidad aumenta la superficie.
Mediante la oxidación electroquímica, se aplica al ánodo una capa de pentóxido de tántalo de hasta 100 nanómetros de espesor. El dieléctrico sólido está hecho de dióxido de manganeso. La construcción terminada se presiona en un compuesto, una resina especial.
Los productos de tantalio se utilizan en frecuencias de corriente superiores a 100kHz. Las capacidades se construyen hasta cientos de μF, con tensiones de funcionamiento de hasta 75V.
Polímero
En los condensadores se utiliza un electrolito de polímero sólido que ofrece varias ventajas:
- La vida útil se prolonga hasta las 50.000 horas;
- los parámetros se mantienen cuando se calienta;
- mayor rango de ondulación de la corriente;
- La resistencia de los terminales y los electrodos no desvía la capacidad.
Tipo de película
El dieléctrico en estos modelos es una película de teflón, poliéster, fluoroplástico o polipropileno.
Las cubiertas son de lámina o de metal pulverizado sobre la película. El diseño se utiliza para crear conjuntos multicapa con mayor superficie.
Los condensadores de película tienen una capacidad de cientos de μF en tamaño miniatura. En función de la disposición de las capas y de los conductores de contacto, se realizan formas axiales o radiales de los productos.
Algunos modelos tienen una tensión nominal de 2 kV o superior.
La diferencia entre polares y no polares
Los diseños no polares permiten incorporar condensadores en un circuito sin tener en cuenta el sentido de la corriente. Los elementos se utilizan en filtros para fuentes de alimentación de CA, amplificadores de alta frecuencia.
Los productos Polar se conectan de acuerdo con el marcado. Si se conecta en el sentido contrario, el dispositivo fallará o no funcionará correctamente.
Los condensadores polares y no polares de alta y baja capacidad difieren en el diseño del dieléctrico. En los condensadores electrolíticos, si el óxido se aplica a 1 electrodo o a 1 cara de un papel, película, el elemento será polar.
Los modelos de condensadores electrolíticos no polares, en los que el óxido metálico se aplica simétricamente a ambas superficies dieléctricas, se incluyen en los circuitos de CA.
Los condensadores polares tienen marcas de electrodos positivos o negativos en la carcasa.
De qué depende la capacidad de un condensador
La función principal y el papel del condensador en un circuito es almacenar cargas y un papel adicional es evitar las fugas.
La capacidad de un condensador es directamente proporcional a la constante dieléctrica del medio y al área de las placas, e inversamente proporcional a la distancia entre los electrodos. Surgen dos contradicciones:
- Para aumentar la capacidad, los electrodos deben ser lo más gruesos, anchos y largos posible. Al mismo tiempo, el tamaño del dispositivo no debe aumentar.
- Para mantener las cargas y proporcionar la fuerza de atracción necesaria, la distancia entre las placas debe ser lo más pequeña posible. Al mismo tiempo, la corriente de ruptura no debe reducirse.
Para resolver las contradicciones, los desarrolladores utilizan
- estructuras multicapa del par dieléctrico-electrodo;
- estructuras anódicas porosas;
- sustitución del papel por óxidos y electrolitos;
- conexión en paralelo de elementos;
- llenando el espacio libre con sustancias de mayor constante dieléctrica.
El tamaño de los condensadores es cada vez más pequeño y sus características mejoran con cada nuevo invento.
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