Lección 25- Condensadores

7/27/2019 Leccin 25- Condensadores

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25. Condensadores

Existen diferentes tipos de condensadores para cubrir la multiplicidadde aplicaciones en que se usan.

Todos se basan, sin embargo, en estructuras similares basadas en dosplacas conductoras separadas por un material dielctrico.

d

SC r 0

0 = 8,8510-12 F/mr (agua) = 81 r (aceite) = 5

d

V

r

+++++++++++++++++

++

+++++++++++++++++

++

-------------------

-----------------

-- Comportamiento elctrico

t

VC

t

qVCqVCq

d

d

d

ddd

t

VCi

d

d


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25. Condensadores

Caractersticas de un condensador

Valor capacitivo (F) Tolerancia Tensin nominal Intervalo de temperaturas Coeficiente de prdidas Forma constructiva

Valor capacitivoCada tipo de condensador se fabrica dentro de un intervalo

determinado de capacidades.

Valores normalizados segn las series aplicables a las resistencias.

Tolerancia de la capacidadSon valores tpicos: 10%, 20%, etc.


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Tensin nominal (UN)

Mxima tensin de trabajo del condensador.Se distinguen dos valores:

Tensin lmite permanente (Ug)Mxima tensin continua que puede soportar en rg. pte.

Tensin de pico (Up)Mxima tensin instantnea que puede tolerar.

Intervalo de temperaturasRango de temperaturas de trabajo en el que se garantizan las

propiedades indicadas por el fabricante.

Depende de la rigidez elctrica (V/m) del dielctrico.


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Coeficiente de prdidas

Se define la tg

a partir del circuito equivalente del condensador.

Creal

A B A B

Cideal

Ls Rs

Ri

Ls y Rs se debenprincipalmente a loscontactos.

Ri es consecuencia del

dielctrico

El coeficiente de prdidas es la relacin entre la potencia activa yla potencia reactiva en el circuito equivalente con excitacin senoidal.

s

i

RCfRCfQ

P

22

1tgDespreciando lainfluencia de Ls.

Trabajando a baja frecuencia, el efecto predominante es el de Ri, mientras que a

frecuencias elevadas es Rs la que domina. tg = f (C, f, Temp.)


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Forma constructiva

Fabricar condensadores que permitan obtener valores de capacidadlo ms elevados posible.

Aumentando r.Depende exclusivamente del dielctrico.

Disminuyendo d.Limitado por el proceso de fabricacin.

Aumentando S.Maximizar Ssin penalizar mucho el volumen.

d

SC r 0

Condensadores variables.

CC =

C2

Tendencia a sersustituidos pordiodos VARICAP.


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Condensadores electrolticos de aluminio

Una de las armaduras est constituida por un lquido conductor oelectrolito. La otra armadura es una lmina de aluminio sobre cuyasuperficie se crea una capa de Al2O3 que constituye el dielctrico.

Alnodo (+)

Al2O3dielctrico

Electrolitoctodo (-)

Al

Al

Al2O3

Papel impregnadocon electrolito


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Los condensadores electrolticos son los que presentan la mayor relacin

capacidad/volumen. Varios factores contribuyen a ello:La permitividad relativa del Al2O3 es r = 10.

En los dielctricos de papel, por ejemplo, se tiene r = 5.

El Al2O3 tiene una alta rigidez elctrica ( 800106 V/m).

Permite usar espesores ms finos para soportar la misma tensin.(1,2nm/V con Al2O3 y >6m/V con papel)

El electrolito se adapta a la rugosidad de la superficie del dielctrico.De este modo, la superficie efectiva es mayor (aumenta C).

S S' > S

Electrolito

Al2O3

Aluminio


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Caractersticas de condensadores electroltico de aluminio

POLARIDADLa lmina de aluminio con la capa de xido debe conectarse alpolo positivo y la otra, al negativo.

Si se invierte la polaridad, se produce un proceso electrolticoque da lugar a un calentamiento y a un desprendimiento de gasesque pueden destruir el condensador.

TENSIN NOMINAL (UN)

Tensin continua para la que se ha construido el condensador.

Valores normalizados:

6,3

10

16

25

40

63

100

160

250

350

385 - 450. TENSIN DE PICO (UP)

Mxima tensin que puede soportar puntualmente.

Segn IEC 3844:

UP = 1,15UN si UN315V y UP = 1,10UN si UN>315V


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TENSIN ALTERNA SUPERPUESTAValor eficaz de la tensin alterna adicional a la componente

continua con la que se puede cargar el condensador.

El valor de cresta de la tensin resultante no debe superar elvalor de la tensin nominal.

No debe aparecer ninguna polaridad inversa de ms de 2V.

vC

t

VDC

VC (mx) UN

tVtvTU DCCA.S.d

1 2

Caractersticas de condensadores electroltico de aluminio (cont.)


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INTENSIDAD ALTERNA SUPERPUESTAValor eficaz de la corriente alterna con la que se puede cargar

el condensador.

Este valor depende de varios parmetros:tg , frecuencia, temperatura, superficie derefrigeracin, ...

ttiT

I CA.S. d1 2

Determina el tiempo de vida del condensador.La vida del condensador depende mucho de la temperatura a

que est sometido, y sta depende a su vez de la potencia que

disipa, cuyo valor es .ESRIA.S.2.

El fabricante suministra grficas quedan idea del tiempo de vida de uncondensador.



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VARIACIN DE LA CAPACIDAD CON LA TEMPERATURALa capacidad de un condensador electroltico de aluminio

aumenta ligeramente al subir la temperatura.En principio, cuanto menor es la tensin nominal del

condensador, mayor pendiente presentan las curvas.

C

Cnom

20

T

10V

16V

25V



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IMPEDANCIA

Se considera el siguiente circuito equivalente:

* A bajas frecuencias el comportamientoes esencialmente capacitivo.

* A altas frecuencias, el comportamientoinductivo es el que predomina.

* A frecuencias prximas a la frecuenciade resonancia, la impedancia es RESR.

A B

CLS RESR

CLRZ SESR

1jj

Se distinguen tres zonas de comportamiento:

10 102 103 104 105 106 107

100

10+1

10+2

10-1

10-3

10-2

|Z|

f



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Caractersticas de condensadores electroltico de aluminio (cont.)Las curvas de impedancia presentan su mnimo tanto ms bajo

cuanto mayor sea la temperatura.Debido a que la resistencia del electrolito disminuye al subir

la temperatura.

10 102 103 104 105 106 107

85C

20C

0C

-20C100

10+1

10+2

10-1

10-3

10-2

|Z|

f

Estas curvas se obtienen usando equipos de medida denominadosanalizadores de impedancia.


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Condensadores electrolticos de tntalo

Estructura similar a la de los condensadores electrolticos de aluminio.Usan tntalo para el nodo en lugar de aluminio.

Tanodo (+)

Ta2O5dielctrico

Electrolitoctodo (-)

Agcontacto

Armadura nodoLmina de tntalo.

DielctricoTa2O5 generado por oxidacin.

Armadura ctodoElectrolito (slido, como

MnO2, o lquido en forma decido muy conductor).

Contacto con el ctodoEn general, Ag.


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Caractersticas de condensadores electroltico de tntalo POLARIDAD

La lmina de aluminio con la capa de xido debe conectarse alpolo positivo y la otra, al negativo.

Admiten conexin back to back.

Los condensadores de electrolito slido pueden soportar ciertatensin inversa indicada por el fabricante.

C

C

Ctodo-ctodo

C/2C

C

nodo-nodo

Condensadores del mismo valor y de lamisma tensin inversa.

El condensador resultantecarece de polaridad


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IMPEDANCIA

Presentan baja resistencia serie.

A BCLS RS

Emplean electrolitos de alta conductividad.

Caractersticas de condensadores electroltico de tntalo (cont.)

RDielc(RESR = RS + RDielc.)

El MnO2 tiene una conductividad muy alta y poca dependencia de latemperatura.

Los electrolitos secos presentan mejor comportamiento.

10410210

103

108

101

102

103 105 107

100

10-1106

85C

20C

0C

-20C

Electrolito

hmedo(cido)

85C

0C

-20C

10410210 108103 105 107106

102

100

101

10-1

103

Electrolito

seco(MnO2)

Los condensadoreselectrolticos de tntalo

slido son los condensadoreselectrolticos de menor

resistencia serie.

Adems, su curva deimpedancia no se ve muy

modificada ante cambios de

temperatura.


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Condensadores cermicos

Materiales cermicos con elevada constante dielctrica.TiO2 r 100Aadiendo BaO se obtiene BaTiO3 r 10.000

Hay dos tipos de materiales cermicos:

Cermica NDK (Clase 1)r = 13 470 tg = 1,510-3C = cT (c = cte)

Cermica HDK (Clase 2)r = 700 50.000 tg = (5,0 7,5)10-3Dependencia no lineal de la capacidad con la temperatura

Los materiales cermicos de Clase 1 presentan menos prdidas.

Al tener mayor

r , los materiales cermicos de Clase 2 permitenobtener la misma capacidad en menos volumen.


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Caractersticas de condensadores cermicosLos valores ms relevantes son

cy tg .

Cermica NDK (Clase 1)

Condensadores COG (NPO)c = (030)10-6 K-1 (-55C 125C)

Muy estables y con pocas prdidas. Cermica HDK (Clase 2)

Condensadores X7RC = 15% en el rango -55C 125C.

Envejecimiento: disminucin del 2% por dcada temporal.tg < 2510-3 Alta densidad de encapsulado.

Condensadores Z5UC = 22% 56% en el rango 10C 85C.Envejecimiento: disminucin del 5% por dcada temporal.

tg < 3010-3 Mxima densidad de encapsulado.

Se usan encircuitos en los

que no seimponenespecificaciones

exigentes a laestabilidad y alas prdidas

(acoplamiento yfiltrado, por

ejemplo)


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Condensadores de plstico metalizado

Hay varios tipos. Se designan como sigue:MKT Tereftalato de polietilenoMKP PolipropilenoMKC PolicarbonatoMK Acetato de celulosa (laca)

Formados por capas de plstico sobre las que se depositan, porevaporacin al vaco, capas metlicas que sirven de armadura.

Plstico(dielctrico)

Metal(armadura)

Capas metlicas muy finas (0,02 a 0,05m) comparadas con elespesor del dielctrico (3m para 100V, 8m para 400V, ...).


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Caractersticas de condensadores de plstico metalizado

FACULTAD AUTORREGENERATIVASi se perfora el dielctrico en un punto con elevado gradiente

de potencial, aparece un arco elctrico que genera una energatrmica capaz de vaporizar el metal existente en torno al arco.De esta forma, adems de extinguir el arco, se asla el puntodeteriorado del dielctrico (y el condensador sigue operativo).

La superficie metlica implicada en el proceso de autorrege-neracin es tan pequea que la variacin de capacidad esprcticamente despreciable.

Slo una pequea fraccin de la energa almacenada en el

condensador es disipada durante este proceso, que duranicamente unos 10s

La facultad autorregenerativa (self-healing) es exclusiva de los condensadores de plstico metalizado.

Hay condensadores de plstico (film/foil capacitors) cuyas armaduras son lminas de aluminio de unas6m, demasiado gruesas para ser vaporizadas puntualmente ante un arco.


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25. Condensadores

Caractersticas de condensadores de plstico metalizado (cont.)

VARIACIN DE LA CAPACIDAD CON LA TEMPERATURAEsta variacin no es lineal, aunque entre 20C y 70C se puedeconsiderar que s lo es.

En cualquier caso, la variacin de la capacidad con latemperatura depende mucho del tipo de dielctrico empleado.

T (C)

0

20

C/C(%)

0 40

-2

2

-20

MKL

MKT

MKC

MKY

MKP

IMPEDANCIA

Determinada a partir del circuito equivalente genrico.

LS es bastante pequea debido a cmo se hacen los contactos.


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Condensadores de bajas prdidas

Condensadores de plstico (no metalizado) con poliestirenocomo dielctrico y Al o Sn como armadura. Serie KS.

En Europa se conocen como condensadores styroflex.

Tratamiento trmico durante fabricacin que hace encoger la lminade plstico.

Esto les confiere estanqueidad proteccin frente a humedad.

Tienen un coeficiente de temperatura constante y negativo.

Aplicacin tpica en circuitos oscilantes junto con bobinas de

ferrita (que tienen un coeficiente de temperatura negativo) paraconseguir una frecuencia de resonancia prcticamente constante.

LC cte

;

2

1

21

R

Rf

TLTC

CLf


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25. Condensadores

Seleccin de condensadores

La eleccin del tipo de condensador depende de la aplicacin.

Condensadores electrolticos

Slo soportan tensin continua.

Debido a su polaridad.Valores de 1F con tensiones de hasta 450 600V

(aluminio). Los de tntalo ofrecen cientos de F hasta 100V y variosmiles de F con bajas tensiones (6 10V).

Se usan en circuitos en los que se necesita un valor de capacidadelevado y que trabajan a baja frecuencia (f


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25. Condensadores

Condensadores electrolticos (cont.)

Aplicaciones tpicas. Filtros de baja frecuencia.

vC

t

+220Vef

Circuitos de almacenamiento de energa.

W = C V212

Flash defotografa

LV R +

1 2

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Condensadores electrolticos (cont.)

Aplicaciones tpicas (cont.). Acoplamiento de seales.

Otros circuitos de medida y regulacin.

A

ve

vs

Vcc

vA

vs

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Condensadores cermicos

Se usan en circuitos en los que se necesita alta estabilidad y bajasprdidas en alta frecuencia.

Circuitos osciladores.

Filtros pasivos y activos de frecuencias medias y altas.

Por su estabilidadcon la temperatura.

Son buenos aislantes trmicos y elctricos.

Bajos valores de capacidad.

De 1pF a 1nF en Clase 1 y de 1pF a 470nF en Clase 2 contensiones comprendidas entre 3V y 10kV.

Se pueden conseguir valores ms elevados acudiendo

a condensadores cermicos multicapa (MLCC).

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Los valores de los condensadores MKT van desde los 10nF hastavalores superiores a los 10F.

25. Condensadores

Condensadores de plstico metalizado

Preferiblemente usados en aplicaciones de CC o de CA con pocacorriente y frecuencia relativamente baja.

Los MKT no destacan en nada, pero son suficientemente buenos enmuchas cosas (bajo coste, pequeo tamao, ...) como para queconstituyan una buena eleccin en aplicaciones no crticas.

Debido a su elevado factor de disipacin.

Se puede decir que, en general, se usarn los condensadores MKT enaquellas aplicaciones en las que se necesiten valores ms elevados que los que

ofrecen los condensadores cermicos de Clase 1 pero con mejorespropiedades que los condensadores cermicos de Clase 2.

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Condensadores de plstico metalizado (cont.)

Los MKP tienen un factor de disipacin bajo en todo el rango detemperatura y en un elevado rango de frecuencias.

Esto les hace muy utilizados en aplicaciones de alta frecuencia yalta corriente (como fuentes conmutadas, por ejemplo).

Filtrado a alta frecuencia.

Redes de proteccin de semiconductores.

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Los valores de los condensadores MKP cubren el rango que va desde

los 100pF a los 10F aproximadamente.

En general, los MKP tienen mejores caractersticas que los MKT

salvo en lo que se refiere a la deriva trmica y a la resistencia alcalor.

Los MKP aguantan hasta 105C, mientras que los MKT llegan aalcanzar los 125C.

Condensadores de plstico metalizado (cont.)

Los condensadores MKP tambin suelen utilizarse en integradores yen circuitos de captura y retencin (sample and hold).

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Resumen (I)

Clase y tg Capacidad UN (V) AplicacinElectrolticos de Al

tg = (60150)10-3@ f=100Hz

470nF 390mF 6,3 100160 450

Filtro, acoplamiento,bloqueo, aplanamientode ondulaciones, almace-namiento de energa.

Electrolticos de Ta

tg < (5080)10-3@ f=120Hz

100nF 1,2mF 4 125Comunicaciones, mediday regulacin. Aplana-miento y acoplamiento.Condensador en pastillapara circuitos hbridos.

Cermicos Clase 1

tg < 1,510-3@ C > 50pF

1pF 47nF 50 100Oscilador estabilizadoen frecuencia para com-pensacin de tempera-tura. Filtro, alta tensin,impulsos, pastilla.

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Resumen (II)

Clase y tg Capacidad UN (V) AplicacinCermicos Clase 2

tg = (2530)10-3220pF 2,2F 50 100

Filtrado, acoplamiento;condensador de altatensin, impulsos, enpastilla.

MKL

tg = (1215)10-3@ f=1kHz

33nF 100F 25 630

Para corriente continuay para aplicaciones dealterna superpuesta.

Aplanamiento, desacoploy acoplamiento.Muchas formas cons-tructivas.

MKT

tg = (57)10-3@ f=1kHz

680pF

10F 63

12,5k

MKC

tg = (13)10-3

@ f=1kHz

1nF 1F 100 250

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Resumen (y III)

Clase y tg Capacidad UN (V) AplicacinMKP

tg = 0,2510-3@ f=1kHz

1,5nF 4,7F 250 40kEtapas de deflexin entelevisores, fuentesconmutadas.

KS (styroflex) y KP

tg = (0,10,5)10-3@ f=1kHz

2pF 100nF 63 630Condensadores paracircuitos oscilantes en

circuitos de sintona defrecuencias, acoplo ydesacoplo de altoaislamiento, tcnica deminiaturizacin.Condensadores debloqueo.

MKYtg = 0, 510-3

@ f=1kHz

100nF 10F 250 Aplicacionesen circuitososcilantes.

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Simbologa normalizada

Condensadorgenrico

Condensadorcon polaridad

Condensadorvariable

Condensadorajustable

Lectura del valor de un condensadorLos electrolticos tienen escrito su valor claramente.

Cuando el tamao es menor, se recurre a una notacin de tres dgitos(dos cifras significativas y un multiplicador).

Las unidades son pF o F.

Las letras que acompaan a este valor indican la tolerancia.

OJO!! K i di 10% ( 103) M i di 20% ( 106)

El sentido comn indicarsi son pF o F (segn tamao)

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