of 36
Ingeniera Elctrica Captulo 3: Capacitores
Por: Ral Chvez Romero
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
1
3.0 Introduccin https://youtu.be/0gZKik_BhQQ
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
2
3.1 Campo Elctrico
El campo elctrico es la fuerza de atraccin o de repulsin entre dos cuerpos cargados
Se representa por lneas de flujo elctrico, las cuales se trazan para indicar la fuerza y su direccin cualquier punto alrededor de un cuerpo cargado.
Cuanto ms densas son las lneas de flujo, ms fuerte es el campo elctrico
Densidad de flujo:
es densidad de flujo es flujo elctrico rea unitaria
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
3
Entre ms grande es la carga elctrica, mayor es el flujo elctrico, por lo tanto
Coulombs,
La fuerza del campo elctrico o fuerza electromotriz en un punto, es la fuerza que acta sobre una carga positiva unitaria en dicho punto
o tambin
Las lneas de flujo elctrico siempre se extienden desde un cuerpo cargado positivamente hasta un cuerpo cargado negativamente, y siempre se extienden o terminan perpendiculares a las superficies cargadas, pero nunca las cruzan.
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
4
3.1 Capacitancia La capacitancia es la medida de la capacidad de un capacitor de almacenar
carga en sus placas; en otras palabras, su capacidad de almacenamiento.
Cuanto ms alta es la capacitancia de un capacitor, ms grande es la
cantidad de carga almacenada en las placas con el mismo voltaje aplicado.
Un capacitor tiene una capacitancia de 1 F si se deposita 1 C de carga
(6.242 1018 electrones) en las placas, por una diferencia de potencial
de 1 V a travs de sus placas
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
5
Ejemplo
Solucin
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
6
Ejemplo
Solucin
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
7
Ejemplo
Solucin
Solucin
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
8
El trmino permitividad mide la facilidad con que un material permite establecer un campo elctrico en el material.
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
9
La permitividad relativa (o constante dielctrica) compara la permitividad de un material con la del aire.
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
10
Ecuacin del capacitor
donde 0 = 8.85 10
12 es la permitividad del aire es la permitividad relativa del material es el rea de las placas del capacitor es la distancia entre las placas por lo tanto la ecuacin del capacitor se puede escribir como:
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
11
ejemplo
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
12
3.3 Rigidez dielctrica La resistencia dielctrica del material dielctrico utilizado
determina el voltaje de ruptura de un capacitor. La resistencia dielctrica se expresa en V/mil (1 mil=0.001 pulg=2.54 105). A continuacin se muestran valores tpicos para varios materiales. Los valores exactos varan segn la composicin especfica del material.
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
13
Voltaje nominal: es el voltaje de cd mximo que puede ser aplicado
sin riesgo de daar un dispositivo.
Voltaje de ruptura: es el voltaje a partir del cual un dispositivo puede
presentar dao permanente.
El coeficiente de temperatura indica la cantidad y direccin de un
cambio de valor de capacitancia debido a la temperatura. Los
coeficientes de temperatura se especifican generalmente en partes
por milln por grados Celsius (ppm/C). Por ejemplo, un coeficiente
de temperatura negativo de 150 ppm/C para un capacitor de
1 significa que, por cada elevacin de un grado en la temperatura,
la capacitancia disminuye en 150 .
Fuga: El dielctrico de cualquier capacitor conduce una muy pequea
cantidad de corriente. Por tanto, la carga en un capacitor finalmente
se fugar.
Algunos conceptos:
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
14
3.4 Tipos de capacitores
Los capacitores se clasifican normalmente de acuerdo
con el tipo de material dielctrico y si estn o no
polarizados. Los tipos ms comunes de materiales
dielctricos son mica, cermica, pelcula plstica, y
electrolticos (xido de aluminio y xido de tantalio).
Adems del material se pueden clasificar en fijos y
variables.
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
15
Capacitores fijos Capacitores de mica
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
16
Capacitores fijos Capacitores de cermica de disco
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
17
Capacitores fijos Capacitores de cermica, multicapas
Capacitores de cermica, chip (montaje superficial)
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
18
Capacitores fijos
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
19
Capacitores fijos Capacitores de electrolticos: Los capacitores electrolticos se polarizan de modo que una placa sea positiva y la otra negativa. Estos capacitores se utilizan para valores de capacitancia que van desde 1 hasta ms de 200,000 , pero sus voltajes de ruptura son relativamente bajos (350 V es un mximo caracterstico) y sus cantidades de fuga son altas. Regularmente se considera que los capacitores con valores de 1 o ms grandes estn polarizados.
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
20
Se utilizan cuando existe la necesidad de ajustar el valor de capacitancia o
manual o automticamente.
Son de menos de 300 pF, pero estn disponibles con valores ms grandes
para aplicaciones especializadas.
Normalmente tienen ajustes tipo tornillo ranurado y se utilizan en un
circuito para realizar ajustes muy finos (reguladores o trimmers).
La cermica o mica es un dielctrico comn en estos tipos de capacitores, y
la capacitancia casi siempre se cambia ajustando la separacin de las placas.
Regularmente tienen valores de menos de 100 pF.
Capacitores variables
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
21
3.5 Estados Transitorios Considere el siguiente
circuito
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
22
3.5 Estados Transitorios
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
23
Fase de carga:
3.5 Estados Transitorios
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
24
Fase de descarga:
3.5 Estados Transitorios
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
25
Afectacin de la constante del tiempo:
Ejemplo:
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
26
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
27
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
28
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
29
3.6 Capacitores en serie y paralelo
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
30
Paralelo
Serie
Ejemplo:
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
31
Determine el voltaje y la carga que pasa por cada capacitor de la red en la figura
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
32
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
33
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
34
3.8 Energa almacenada
Un capacitor ideal no disipa la energa que se le suministra, antes bien, la almacena en forma de un campo elctrico entre las superficies conductoras.
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
35
Rau
l Ch
vez
, In
g. E
lct
rica
, U
AM
ecn
ica,
UA
Z
36