Angulo De Perdidas Del Condensador 5p6t8
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MEDIDAS ELECTRICAS
Laboratorio 3: DETERMINACION DEL ANGULO DE PÉRDIDAS Y EL FACTOR DE PÉRDIDAS DE UN CONDENSADOR
PROFESOR :
Ing. Marcelo Barreto Emilio A
ALUMNOS :
Código
Arellano Camayo Nataniel Moreno Rosales Martos Chaves Olivares Luis Alberto Postigo Mendoza Jose Chincha Alva Nilton Chaves Candela L
UNI-FIM 2011 - I
20072548G 20077513G 20083107B 20070259H 20084122H 20067506H
Sección: A B B A A B
INTRODUCCION
Dentro de los componentes pasivos, quizás el más complejo de todos, por sus características y variedad de tipos, sea el condensador. Por ser un elemento que presenta una impedancia que es función de la frecuencia de la señal, ofrece unas posibilidades que son aprovechadas en la implementación de circuitos electrónicos, donde desarrolla toda su potencia. Este es el tipo de cosas que gusta a los inventores. El principio del condensador electrolítico fue descubierto en 1886 por Charles Pollak, como parte de su investigación en la anodización del aluminio y otros metales. Pollack descubrió que debido a la delgadez de la capa de óxido de aluminio producida, había mucha capacitancia entre el aluminio y la solución de electrolito. Un problema importante era que la mayoría de los electrolitos tendían a disolver esta capa de óxido de nuevo cuando la tensión se eliminaba, pero eventualmente el encontró que el perborato de sodio bórax permitía la creación de la capa sin atacarla después. Le fue concedida una patente para el condensador electrolítico de aluminio con disolución de borax en 1897. La primera aplicación práctica de esta tecnología fue en los condensadores de arranques de motores de corriente alterna. La mayoría de los condensadores electrolíticos son polarizados, esto es, sólo pueden operar con corriente continua, pero usando varias placas de aluminio anodizado e intercalando entre ellas el electrolito de borax, es posible hacer un condensador que puede ser usado en sistemas de corriente alterna. Los condensadores del siglo XIX y principios del XX tienen pocas similitudes con los actuales, y eran construidos de forma más parecida a una batería de coche. El electrolito de disolución de bórax tenía que ser periódicamente redisuelto con agua destilada, algo que recuerda a las baterías de plomo ácido. La primera aplicación masiva de las versiones de corriente continua de este tipo de condensador fue en las centralitas telefónicas para suavizar los cambios de estado de los reles de las líneas de 48 voltios. El desarrollo de los receptores de radio domésticos de corriente alterna, a finales de los 1920 requirieron de la producción de condensadores de alta capacidad (para la época) y alto voltaje, como mínimo de 4 microfaradios y hasta 500 voltios. Los de papel enrollado y plata con aceite estaban disponibles entonces pero los dispositivos con ese orden de capacidad y voltaje eran pesados y prohibitivamente caros. El primer prototipo de un condensador electrolíticos moderno fue patentado por Julius Lilienfield en 1926. Su diseño seguía las líneas del condensador de mica y plata, pero con papel empapado en electrolito en lugar de la mica. Se probó que era difícil refrigerar el dispositivo y en las condiciones calientes típicas de los los receptores de radio se agujereaban y fallaban. El ingeniero retirado del ejército de Estados Unidos Ralph D. Mershon desarrolló el primer condensador electrolítico para radio comercialmente disponible en cualquier cantidad, aunque algunos otros investigadores produjeron dispositivos similares. El "condensador Mershon" como se le conoció, estaba construido como un condensador de papel convencional, con dos largas tiras de film de aluminio enrolladas con tiras de papel empapado en solución electrolítica, en lugar de cera. En lugar de intentar cerrarlo herméticamente, la solución de Mershon fue simplemente meter el condensador en una lata de aluminio o cobre, llena hasta la mitad de electrolito extra. (Estos son llamados "electrolíticos húmedos" por los radioaficionados, y los que se encuentran aún con algo de líquido dentro son piezas de coleccionista). A pesar del éxito inmediato de Mershon (y el nombre "Condensador de Mershon" fue durante un corto tiempo sinónimo de receptores de radio de calidad en los años 20), debido a varias dificultades de fabricación su tiempo de vida en funcionamiento era corto y la compañía de Mershon quebró en los primeros años 1930. No fue hasta la segunda guerra mundial cuando se dedicaron suficientes recursos para encontrar las causas de los problemas, que los condensadores electrolíticos se convirtieron en los componentes útiles que son hoy en día.
I. OBJETIVO Medir en forma experimental el ángulo y factor de pérdidas de un condensador. Se emplean los métodos de los tres amperímetros y los tres voltímetros. II.
FUNDAMENTO TEORICO
CONDENSADORES Los condensadores son componentes pasivos diseñados con el fin de almacenar energía electrostática o presentar una capacidad eléctrica determinada. Otra forma de definirlo sería la siguiente: componentes pasivos de dos terminales en los que la intensidad que los atraviesa (aparentemente) es proporcional a la variación de tensión existente entre sus terminales respecto al tiempo. Su unidad de medida en el S.I. es el Faradio aunque por las limitaciones características de los mismos se usan distintos submúltiplos (micro, μ / nano, n / pico, p). Desde el punto de vista constructivo, un condensador está constituido por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico. En su interior se establece un campo eléctrico, sin pérdida de energía, como consecuencia de la polarización dieléctrica (no confundir material aislante y dieléctrico, todos los dieléctricos son aislantes, pero no todos los aislantes son dieléctricos; los dieléctricos son materiales no conductores en los que resulta posible su polarización). La capacidad de un condensador va a depender del tamaño de sus placas, de la distancia que las separa y del material del que está formado el dieléctrico. Capacidad eléctrica y tensión de trabajo (WV).- Cuando dos conductores permanecen próximos entre sí, aparece cierta capacidad entre ellos. La magnitud de esta capacidad es directamente proporcional al área de los conductores, e inversamente proporcional a la distancia de éstos y en el caso de un condensador plano de placas paralelas vale:
Donde C es la capacidad en Faradios € es la constante dieléctrica y vale 8.85 x 10^-12 Culombios^2/(N x m^2) para el vacío. A es el área de las placas en m^2 d es la distancia que las separa en metros. Para un condensador dado, si sobrepasamos la tensión de trabajo (Working Voltage, WV) para el que ha sido diseñado, se puede destruir el mismo al producirse un arco eléctrico (chispa) y perforar el dieléctrico. Por este motivo, todos los condensadores tienen asignada una tensión de trabajo. Debemos fijarnos si se refiere a tensión alterna o a tensión
continua, y tener siempre presente este dato cuando trabajemos con tensiones eficaces, pues tendremos que convertir a tensiones de pico. La capacidad de un dieléctrico de soportar una tensión dada sin perforarse, se llama rigidez dieléctrica. El dieléctrico.- En la figura se representa un condensador plano de placas paralelas; el dieléctrico se interpone entre ambas placas, evitando que éstas entren en o. Cada dieléctrico posee características diferentes, y es el que confiere las propiedades al condensador, por lo que los condensadores se clasifican por el tipo de dieléctrico que utilizan. En la tabla se dan las constantes dieléctricas de diferentes materiales, relativas a la del vacío, que se toma igual a la unidad (e0= 1). Para el aire seco tiene un valor e= 1.0006
material
εr (ε0=1)
aire 1.0006 teflón 2.0 polipropileno (MKP) 2.1 poliestireno 2.5 policarbonato (MKC) 2.9 poliéster / mylar (MKT) 3.2 vidrio 4.0 - 8.5 mica 6.5 - 8.7 cerámica 6.0 - 50,000 óxido de aluminio 7.0 óxido de tántalo 11.0
Tipos de dieléctrico utilizados en condensadores
Condensadores electrolíticos axiales. Condensadores cerámicos, "SMD (montaje superficial)" y de "disco".
Condensadores electrolíticos de tantalio. Condensador variable de una vieja radio AM.
Condensadores de poliéster.
Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas. Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos. Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y
se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar. o Condensadores autoregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autoregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras. Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un corto entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el condensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolito empleados: o Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas. o Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen. o Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias. Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno. Condensadores de poliestireno también conocidos comúnmente como Styroflex(marca registrada de Siemens). Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso a las bobinas de sintonía, logrando de este modo estabilidad en los circuito resonantes. Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. Condensadores síncronos. Es un motor síncrono que se comporta como un condensador.
Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje. o Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.
TABLA COMPARATIVA DE CONDENSADORES SEGÚN DIELÉCTRICO Polié Policarb Poliprop Polié Policarb Poliprop vid Mic ster onato Paril ileno Poliesti Tefl ster onato ileno rio a metál metaliza eno metaliza reno ón MKT MKC MKP ico do do
DF% DA% Estabil idad Tolera ncia % Coste
0.1 0.5 MB 110 car o
0.1 0.3 MB 110 me dio
0.3-1 0.3-1 R 5-20 barat o
0.3-1 0.1-0.3 0.3-1 0.1-0.3 R B 5-20 1-20 barat medio o
0.1-0.3 0.1-0.3 B 1-20 medio
0.1 <0.1 MB 0.510 caro
0.010.03 <0.1 MB 1-20 caro
0.01 0.01- 0.03 0.01-0.1 0.03 <0. <0.1 <0.1 1 MB MB MB 1-20 0.5-10 0.5caro caro 10 +ca ro
Tipos de condensadores o capacitores
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: Capacitores cerámicos Son los que tienen un mayor rango de valores de su constante dieléctrica, pudiendo llegar a un valor de 50000 veces superior a la del vacío. Se basan en varias mezclas de óxido de titanio y zirconio, o bien en titanatos o zirconatos de calcio, bario, estroncio o magnesio, y atendiendo a esta variedad de compuestos, dan un rango amplísimo de constantes dieléctricas.
cond. cerámico de disco
cond. cerámico
Los materiales de alta constante dieléctrica, pueden ofrecer componentes pequeños para un valor relativamente elevado de capacidad. El inconveniente de estos dieléctricos de alta cte. dieléctrica es que el valor de la misma depende mucho de la temperatura, así como las pérdidas en el dieléctrico. Sin embargo, donde el valor de la capacidad es relativamente menos importante, como por ejemplo en filtros pasa RF, estos componentes son ampliamente utilizados.
El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Estos capacitores son muy económicos aunque presentan cierta inestabilidad, la capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se utilizan en aplicaciones de baja tensión. Rango de capacidad: 1 pF - 1 µF.
Capacitores de mica Es un dieléctrico de unas características intermedias entre los condensadores electrolíticos y los de película, teniendo una rigidez dieléctrica alta y otras características excelentes, como muy bajas pérdidas, pero su capacidad se limita hasta los 4700 pF aproximadamente.
cond. de mica Por el contrario, es muy caro, y al ser un material rígido, sólo se pueden construir condensadores en forma de láminas apiladas (stacked-film). Se utiliza en aplicaciones industriales de alta tensión, amplificadores de válvulas cuando se requiera poca capacidad y aplicaciones de precisión. 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. Son más costosos que los capacitores cerámicos y se utilizan en lugar de estos en aquellos casos donde se requiere mayor estabilidad y en aplicaciones de alta frecuencia.
Capacitores de plástico Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas tempeeraturas 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 capacitores de plástico:
TIPO KS KP MKP MKY MKT MKC
CAPACIDAD 2pF-330nF 2pF-100nF 1,5nF-4700nF 100nF-1000nF 680pF-10µF 1nF-1000nF
TOLERANCIA +/-0,5% +/-5% +/-1% +/-5% +/-5% +/-20% +/-1% +/-5% +/-5% +/-20% +/-5% +/-20%
TENSION 25V-630V 63V-630V 0,25KV-40KV 0,25KV-40KV 25V-630V 25V-630V
TEMPERATURA -55ºC-70ºC -55ºC-85ºC -40ºC-85ºC -55ºC-85ºC -55ºC-100ºC -55ºC-100ºC
Condensador electrolítico
Condensador electrolítico Axial (arriba) y radial (abajo). Un condensador electrolítico es un tipo de condensador que usa un líquido iónico conductor como una de sus placas. Típicamente con más capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia. Este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente alterna pero no corriente continua. Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia. Construcción Los condensadores electrolíticos de aluminio se construyen a partir de dos tiras de aluminio, una de las cuales está cubierta de una capa aislante de óxido, y un papel empapado en electrolito entre ellas. La tira aislada por el óxido es el ánodo, mientras el líquido electrolito y la segunda tira actúan como cátodo. Esta pila se enrolla sobre sí misma, ajustada con dos conectores pin y se encaja en un cilindro de aluminio. Las dos geometrías más populares son las axiales y radiales mostradas en la fotografía. Polaridad En los condensadores electrolíticos de aluminio, la capa de óxido aislante en la superficie de la placa de aluminio actúa como dieléctrico, y es la delgadez de esta capa la que permite obtener una gran capacidad en un pequeño volumen. La capa de óxido puede mantenerse inafectada incluso con una intensidad de campo eléctrico del orden de 109 voltios por metro. La combinación de alta capacidad y alto voltaje resultan en una gran densidad energética. Al contrario que la mayoría de los condensadores, los electrolíticos tienen polaridad. La polaridad correcta se indica en el envoltorio con una franja indicando el signo negativo y unas flechas indicando el terminal que debe conectares al potencial menor (terminal negativo). También, el terminal negativo es más corto que el positivo. Esto es importante porque una conexión con voltaje invertido de más de 1,5 Voltios puede destruir la capa
central de material dieléctrico por una reacción de reducción electroquímica. Sin este material dieléctrico, el condensador entra en cortocircuito, y si la corriente es excesiva, el electrolito puede hervir y hacer explotar el condensador. Existen disponibles condensadores especiales para uso con corriente alterna, normalmente conocidos como "condensadores no-polares" o "NP". En ellos, las capas de óxido se forman en las dos tiras de aluminio antes del ensamblado. En los ciclos alternos, una u otra de las placas actúan como un diodo, evitando que la corriente inversa dañe el electrolito de la otra. Esencialmente, un condensador de 10 microfaradios de alterna se comporta como dos de 20 microfaradios de continua conectados en serie inversa. Los condensadores modernos tienen una válvula de seguridad, típicamente en una esquina del envoltorio o una terminación especialmente diseñada para ventilar el líquido/gas caliente, pero aun así las rupturas pueden ser dramáticas. Los condensadores electrolíticos pueden soportar una tensión inversa por un tiempo corto, pero durante este tiempo conducirán mucha corriente y no se comportarán como verdaderos condensadores. La mayoría sobrevivirán sin tensión inversa, o con tensión alterna, pero los circuitos deben diseñarse siempre pensando en que no haya tensión inversa durante tiempos significativos. La corriente directa constante (con la polaridad correcta) es lo preferible para aumentar la vida del condensador.
Condensador
Condensador Polarizado
Condensador Variable
Símbolos esquemáticos para condensadores electrolíticos. Algunos esquemas no incluyen el signo "+" al lado del símbolo. Los condensadores electrolíticos se marcan para indicar la polaridad de los terminales.
Nota: La marca en el envoltorio de metal indica el terminal negativo. Electrolito El electrolito es usualmente ácido borico o borato de sodio en disolución acuosa junto con algunos azúcares o glicol de etileno que se añaden para retardar la evaporación. Conseguir un buen balance entre la estabilidad química y la baja resistencia eléctrica interna es complicado y de hecho la composición exacta de los buenos electrolitos es un secreto comercial guardado celosamente. Llevó muchos años de dolorosas investigaciones antes de que fueran desarrollados condensadores útiles. Los electrolitos pueden ser tóxicos o corrosivos. Trabajar con electrolitos requiere medidas de seguridad y equipo de protección apropiado como guantes, máscaras y gafas de seguridad. Algunos viejos electrolitos de tantalio, a menudo llamados de "pulmon húmedo" contienen ácido sulfúrico corrosivo, pero la mayoría de ellos ya no se usan debido a la corrosión. Variantes
Condensadores electrolíticos de varios tamaños. Al contrario que otros condensadores que usan dieléctricos hechos de un material aislante intrínseco, el dieléctrico en los condensadores electrolíticos dependen de la formación y estabilidad de una capa microscópica de óxido metálico. Comparados con los normales, esta capa verdaderamente fina de dieléctrico permite capacidades mucho mayores en el mismo volumen, pero mantener la integridad de esta finísima capa de óxido requiere la cuidadosa aplicación de la polaridad correcta en corriente continua, o sino la capa de óxido se deshace o rompe causando que el condensador falle. Adicionalmente, los condensadores electrolíticos usan internamente química de disoluciones y pueden fallar eventualmente si el agua de la disolución se evapora debido a temperaturas altas.
La capacidad de los electrolíticos no está tan precisamente especificada como en el caso de los condensadores de dieléctrico solido normales. Especialmente con los electrolíticos de aluminio, es bastante común ver especificaciones que "garantizan un valor mínimo" sin "límite máximo" de capacidad. Para la mayoría de los propósitos (como en alimentadores de corriente o acoplamiento de señales) este tipo de especificación es aceptable. Como ocurre con los condensadores de dieléctrico sólido normales, los condensadores electrolíticos vienen en diferentes variedades:
Aluminio: compacto pero poco preciso, los hay disponibles en el rango de <1 µF hasta 1 F, con voltajes de trabajo de hasta varios cientos de voltios.
El dieléctrico es una fina capa de óxido de aluminio. Contiene liquido corrosivo y pueden hervir si se conectan al revés. La capa de óxido aislante tiende a deteriorarse en ausencia de voltaje "rejuvenecedor", y eventualmente el condensador fallará si no se le aplica voltaje. Los electrolíticos bipolares (también llamados No-polarizados o NP) contienen dos condensadores conectados en serie inversa y se usan cuando ocasionalmente la corriente continua pueda invertirse. Sus malas características de frecuencia y temperatura los hacen inservibles para aplicaciones de alta frecuencia. Sus valores típicos de ESL son de pocos nanohenrios. 1
Tántalo: compacto, dispositivo de bajo voltaje de hasta varios cientos de mF, tienen menor densidad energética pero son mucho más precisos que los de aluminio. Los condensadores de tántalo también son polarizados debido a sus electrodos diferentes. El cátodo está formado por granos de tántalo, con el dielectrico formado electroquímicamente por una fina capa de óxido. La finura de la capa de óxido y la gran superficie del material poroso le otorgan una gran capacidad por unidad de volumen. El cátodo está formado bien por un liquido electrolito conectado al envoltorio metálico o bien por una capa semiconductora de dióxido de manganeso, que luego se conecta a un terminal externo. Una variante de este tipo reemplaza el dióxido de manganeso por un polímero plástico conductor que reduce la resistencia interna y elimina la auto-ignición en caso de fallo.2
Comparados con los electrolíticos de aluminio, los condensadores de tántalo tienen una capacidad muy precisa y estable, poca caída de tensión y muy baja impedancia a altas frecuencias. Sin embargo, al contrario que los de aluminio, no toleran picos de tensión y se destruyen (a veces explotando violentamente) si se conectan al revés o se exponen a picos de tensión o altas temperaturas. Los condensadores de Tántalo son más caros que los de aluminio y generalmente solo se pueden usar en bajo voltaje, pero debido a su gran capacidad por unidad de volumen y baja impedancia eléctrica a altas frecuencias son muy populares en aplicaciones miniaturizadas como los teléfonos móviles.
Condensadores de película.- Todos los condensadores de película son no polarizados, es decir, no requieren marcar una patilla como positiva o negativa, siendo indiferente su conexión en el circuito. Son los preferidos en los circuitos de audio de calidad, siempre que el tamaño lo permita, por sus pocas pérdidas y distorsión reducida. Se pueden construir enrollando el conjunto placas-dieléctrico, similar a un electrolítico, o bien apilando en capas sucesivas como un libro (stacked film-foil). Se emplean mayoritariamente como dieléctricos diferentes plásticos, como polipropileno (MKP), poliéster/mylar (MKT), poliestireno, policarbonato (MKC) o teflón. Pala las placas se utiliza mayoritariamente aluminio con un alto grado de pureza. Según el tipo de dieléctrico utilizado, para una misma capacidad y tensión de trabajo, se obtienen condensadores de distinto tamaño.
cond. policarbonato (MKC)
cond. polipropileno (MKP)
cond. poliéster (MKT)
cond. poliestireno
La alta rigidez dieléctrica del poliéster, permite hacer condensadores de poco tamaño y a costes relativamente bajos, de uso rutinario allí donde no se necesiten calidades especiales. Se disponen de capacidades de entre 1000 pF y 4.7 uF, a tensiones de trabajo de hasta 1000V. El factor de pérdidas por dieléctrico es relativamente alto en el poliéster. Para audio, el polipropileno o poliestireno permiten unas pérdidas mucho menores en el dieléctrico, pero son mucho mayores en tamaño, además de mucho más caros. Los de poliestireno son utilizados en filtros/crossovers. Un inconveniente de los condensadores de poliestireno es el bajo punto de fusión del dieléctrico. Por ello suelen diferenciarse estos condensadores, ya que se protege el dieléctrico separando los pines de soldadura del cuerpo del condensador, tal como muestra la foto.
Capacitores de doble capa eléctrica Estos capacitores también se conocen como supercapacitores 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.
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 de radio) 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.
Condensador ideal y condensador real.
El condensador real siempre tiene una componente inductiva y una parte resistiva, así como otros elementos, como las pérdidas en el dieléctrico. El dibujo representa un condensador típico real con los parámetros más habituales.
C1 = capacidad del condensador L = inductancia serie (patillas) Rs = resist. equivalente serie (ESR) Rp = Resistencia paralelo C2, R = parte de la absorción del dieléctrico condensador equivalente El circuito podría representar cierto tipo de condensadores, pero no tiene por qué ajustarse a todos los modelos, es un esquema típico. Todas estas componentes toman especial relevancia a altas frecuencias (RF).
La resistencia paralelo Rp, o resistencia de aislamiento, causa pérdidas en forma de calor. La resistencia serie equivalente Rs, (ESR) limita la impedancia mínima que ofrece el condensador, y también causa pérdidas en forma de calor. Este es el parámetro más significativo de cuantos se dan. Lo forman las resistencias de las propias placas, las patillas del condensador y los terminales de conexión de éstas a las placas. Cuando un capacitor se conecta a un circuito eléctrico o electrónico, se introducen otros determinados parámetros tales como la resistencia paralelo (que representa las pérdidas) y las pérdidas dieléctricas. También aparece la resistencia serie, que consiste en la resistencia óhmica de los terminales y de todas las otras partes conductoras del capacitor. También se introduce una inductancia en serie con la capacitancia. Su valor depende de la capacidad del capacitor, de su diseño mecánico y del material utilizado. La Figura a. es el circuito equivalente de un capacitor. A frecuencias muy elevadas, el circuito equivalente puede llegar a ser más complejo.
Fig. a - Circuito equivalente de un capacitor.
Fig. b -. Circuito equivalente simplificado del capacitor: (A) pérdidas representadas por la resistencia paralela y (B) pérdidas representadas por resistor serie.
Sin embargo, en frecuencias bajas puede simplificárselo de modo que todas las pérdidas queden representadas por un resistor paralelo (Rp) o un resistor serie (Rs), como se representa en la Figura b.
PÉRDIDAS EN UN CONDENSADOR Es muy importante la determinación exacta de la capacidad de un condensador para lo cual se requiere tener en cuenta ciertos problemas que surgen de las características de un condensador real. Un condensador consiste de dos electrodos separados por un aislante ideal ( ); al aplicar una tensión alterna V a los electrodos del condensador se ha de producir una corriente I desfasada 90º que respecto a la tensión, tal como se muestra en la figura adjunta.
En un condensador real C, el aislante por bueno que sea, tiene una resistencia de un valor determinado y conduce las cargas haciendo el efecto de una componente activa. En consecuencia en un condensador real el ángulo de desfasaje es inferior a 90º. Cuanto mayor es la diferencia entre el ángulo y 90º ( ) peor es la calidad del aislante utilizado en la construcción del condensador y en consecuencia la calidad del condensador. Considerando esto, se puede representar un condensador con un circuito equivalente de dos maneras. Un condensador real se puede representar como un condensador ideal (sin pérdidas) conectado en serie con una resistencia equivalente como se muestra en la figura adjunta
También se puede representar un condensador real como un ideal conectado en paralelo con una resistencia equivalente tal como se muestra en la figura adjunta.
El ángulo se denomina ángulo de pérdidas y es el factor de pérdidas. Por lo tanto y por lo general el ángulo de pérdidas es muy pequeño (depende de la calidad del condensador) y en este caso se puede asumir que .
Hemos visto que el condensador real está formado tanto por una parte resistiva y reactiva; esta última incluso puede contener inductores como el siguiente caso:
C1 = capacidad del condensador L = inductancia serie (patillas) Rs = resist. equivalente serie (ESR) Rp = Resistencia paralelo C2, R = parte de la absorción del dieléctrico El circuito podría representar cierto tipo de condensadores reales, pero no tiene por qué ajustarse a todos los modelos, es un esquema típico. Todas estas componentes toman especial relevancia a altas frecuencias.
A pesar de que existen muchas formas de representar un condensador real, el cálculo del ángulo y del factor de pérdidas es el mismo; para realizar dicho cálculo se utiliza principalmente dos método: el método de los tres voltímetros y el método de los tres amperímetros.
Método de los tres voltímetros
El esquema correspondiente a este método es el de la figura adjunta. En ella R1 es una resistencia patrón de valor conocido y Z es la impedancia que representa al condensador real.
Considerando que las resistencias de los voltímetros son infinitas se deduce del diagrama fasorial o vectorial:
( Donde
es el desfase entre ̅̅̅ e ̅ con lo cual
é é
)
Método de los tres amperímetros El esquema correspondiente a este método es el de la figura adjunta. En ella G1 es una conductancia patrón de valor conocido e Y es la itancia que representa al condensador real.
Despreciando las resistencias de los amperímetros se deduce del diagrama fasorial o vectorial:
(
Donde
es el desfase entre ̅ e ̅ con lo cual
é é
)
III.
EQUIPO Y MATERIALES
1 Autotransformador variable (0-230) V, 6 A.
1 Multímetro
Cables de conexión
Resistencia variable
Condensadores electrolíticos
1 Amperímetro de pinza
IV.
PROCEDIMIENTO A. Armar el circuito de la figura 2A
a) Colocar R1 al máximo valor. b) Regular la salida del autotransformador desde cero hasta 220 V, tomando juegos de valores de Vs, As, VR1 y Vc. c) Determinar los errores teorico-exerimental, dando el error relativo porcentual. d) Manteniendo el voltímetro Vs y una tensión constante de 220 V; regular la resistencia R1 desde el valor máximo al valor mínimo y tomar juegos de valores de Vs, As, VR1 y Vc.
Montaje del circuito a utilizar
B. Armar el circuito de la figura 2B.
1) La resistencia R2 poner a su máximo valor. 2) Regular la salida del autotransformador variando la tensión desde cero hasta 220 V, tomando juegos de valores de Vs, As, AR2 y Ac.
Montaje del circuito utilizado
CALCULOS Y RESULTADOS METODO DE LOS 3 VOLTIMETROS CASO IA Vs = variable R=640Ω Vs(V) As(A) VR1(V) 220 0.35 215.8 200 0.306 195.5 180 0.287 176.3 160 0.263 157.3 140 0.228 137.2 120 0.2 117.6 100 0.168 97.8 80 0.132 78.4 60 0.101 58.75 40 0.068 39.46 20 0.037 19.6 4.08 0.014 3.99
Vc(V) 44.45 40.25 36.24 32.4 28.25 24.13 20 16.09 12.06 8.12 4.04 0.8
C=20.2µF Ø 90.4343751 89.41862231 89.97770445 91.08521222 90.16188788 90.12131675 89.48503407 90.12372741 89.87894714 92.05916677 90.17423779 89.2254423
-0.4343751 0.58137769 0.02229555 -1.08521222 -0.16188788 -0.12131675 0.51496593 -0.12372741 0.12105286 -2.05916677 -0.17423779 0.7745577
TAN( ) -0.00758142 0.010147303 0.000389131 -0.01894279 -0.00282548 -0.00211738 0.008988093 -0.00215945 0.002112774 -0.03595472 -0.00304103 0.013519406
CASO IB R1 = variable Vs=220 V R1(Ω) As(A) VR(V) Vc(V) Ø TAN( ) 640 0.344 217.1 45.1 92.24302461 -2.24302461 -0.03916818 617 0.362 214.5 46.7 89.40267375 0.59732625 0.010425687 558.5 0.385 213.7 50.3 89.46104731 0.53895269 0.009406776 504.8 0.427 212.2 55.3 89.23567782 0.76432218 0.01334073 460.6 0.454 209.7 60.8 88.36115381 1.63884619 0.028611065 418.9 0.523 208.4 67.2 89.07206473 0.92793527 0.016196942 358.4 0.593 205.4 75.7 89.11494271 0.88505729 0.015448393 321.6 0.652 202.6 82.7 89.12120903 0.87879097 0.015338999
METODO DE LOS 3 AMPERIMETROS CASO II Vs = variable R=417Ω C=20.2µF Vs(V) As(A) Ac(A) AR(A) Ø TAN( ) 4.12 0.029 0.029 0.007 96.9319062 -6.9319062 -0.12157836 30 0.23 0.229 0.068 82.31460209 7.68539791 0.1349458 60 0.475 0.467 0.14 84.70632711 5.29367289 0.09265582 90 0.72 0.707 0.212 84.9488668 5.0511332 0.08838801 120 0.957 0.94 0.285 84.75543017 5.24456983 0.09179152 150 1.183 1.178 0.358 82.07039428 7.92960572 0.13928817 180 1.418 1.412 0.43 82.05148805 7.94851195 0.13962456 210 1.658 1.643 0.503 82.9280042 7.0719958 0.12406027 220 1.736 1.717 0.527 83.26873115 6.73126885 0.11802631
Finalmente: CASO 1A CASO 1B CASO 2 FACTOR DE PERDIDAS -0.00312213 0.00870005 0.089689122 ANGULO DE PERDIDAS -0.17880618 0.49852578 5.113805551
V.
CUESTIONARIO
1.- ¿Cuál es la finalidad de R1 y R2 en la determinación del ángulo de perdidas y el factor de pérdidas del condensador utilizado? La finalidad de R1 en la determinación del ángulo de pérdidas y el factor de pérdidas del condensador utilizado es la de actuar como una resistencia patrón para medir las caídas de tensión que aparecen en el circuito del método de los tres voltímetros para luego calcular el ángulo y el factor de pérdidas de un condensador. Asimismo la finalidad de R2 es también de actuar como resistencia patrón en el circuito del método de los tres amperímetros, donde se miden las intensidades de corriente en R2, en el condensador real y en la fuente para luego determinar el ángulo y el factor de pérdidas de dicho condensador.
2.- ¿Cuál es la importancia del ángulo de perdidas y el factor de pérdidas del condensador? El ángulo de pérdidas y el factor de pérdidas del condensador son conceptos muy importantes que definen la calidad y el comportamiento de un condensador eléctrico. Si consideramos un condensador ideal, sin perdidas, el Angulo de desfase entre la corriente I y la tensión V seria 90º. Naturalmente esta es una situación ideal, la realidad es que todos los condensadores sufren pérdidas en mayor o menor medida provocadas por el film de propileno, la metalización de las placas, las soldaduras, sus conductores, etc. Debido a estas pérdidas el ángulo de desfase ( ) no es de 90º, sino que la corriente I se adelanta respecto a la tensión V formando un nuevo ángulo , este ángulo se llama ángulo de perdidas y su tangente es el factor de pérdidas del condensador. Este ángulo ocasiona que se generen pérdidas de potencia activa por efecto Joule en el condensador. 3.- Investigar el factor de perdidas y el ángulo de perdidas en condensadores normalizados, tales como condensadores con dieléctricos de papel, aceite, papel impregnado en aceite, cerámica, poliéster, etc.
4.- Comentar sobre algunas observaciones y conclusiones experimentales.
Se observó ángulos de pérdidas negativos en algunas mediciones, esto se debería a los componentes C2 y L del modelo del condensador real. Se concluye que el método más preciso es el método de los tres voltímetros (CASO IB), pues se obtienen ángulos muy pequeños lo cual concuerda con la teoría. El método de los tres amperímetros es poco preciso porque al momento de la lectura del valor eficaz de la corriente la pinza debe estar en posición perpendicular al conductor, de lo contrario obtendríamos lecturas erroneas. El condensador elegido tiene un factor de perdida aceptable, pues se encuentra en el rango de 10-2 a 10-3 .
BIBLIOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_electrol%C3%ADtico http://www.lcardaba.com/articles/cond/cond.htm http://www.siste.com.ar/capacitores.htm http://www.sapiensman.com/electrotecnia/problemas34.htm http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componentes/codigos/conde.htm http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm09/trb9_3.html http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm09/trb9_4.html http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_diel%C3%A9ctrica
ANEXO Medición del ángulo y del factor de pérdidas de un condensador por el método del vatímetro. Para determinar el ángulo y el factor de pérdidas de un condensador mediante un vatímetro se utiliza el esquema de la figura adjunta.
El vatímetro señala la potencia disipada y del producto de las lecturas del amperímetro y del voltímetro se obtiene el valor de la potencia aparente. En base de los valores obtenidos de la medición, se calcula el factor de potencia el cual en un condensador real es de muy bajo valor.
Luego
De donde se obtiene que Angulo de pérdidas: Factor de pérdidas:
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MEDIDAS ELECTRICAS
Laboratorio 3: DETERMINACION DEL ANGULO DE PÉRDIDAS Y EL FACTOR DE PÉRDIDAS DE UN CONDENSADOR
PROFESOR :
Ing. Marcelo Barreto Emilio A
ALUMNOS :
Código
Arellano Camayo Nataniel Moreno Rosales Martos Chaves Olivares Luis Alberto Postigo Mendoza Jose Chincha Alva Nilton Chaves Candela L
UNI-FIM 2011 - I
20072548G 20077513G 20083107B 20070259H 20084122H 20067506H
Sección: A B B A A B
INTRODUCCION
Dentro de los componentes pasivos, quizás el más complejo de todos, por sus características y variedad de tipos, sea el condensador. Por ser un elemento que presenta una impedancia que es función de la frecuencia de la señal, ofrece unas posibilidades que son aprovechadas en la implementación de circuitos electrónicos, donde desarrolla toda su potencia. Este es el tipo de cosas que gusta a los inventores. El principio del condensador electrolítico fue descubierto en 1886 por Charles Pollak, como parte de su investigación en la anodización del aluminio y otros metales. Pollack descubrió que debido a la delgadez de la capa de óxido de aluminio producida, había mucha capacitancia entre el aluminio y la solución de electrolito. Un problema importante era que la mayoría de los electrolitos tendían a disolver esta capa de óxido de nuevo cuando la tensión se eliminaba, pero eventualmente el encontró que el perborato de sodio bórax permitía la creación de la capa sin atacarla después. Le fue concedida una patente para el condensador electrolítico de aluminio con disolución de borax en 1897. La primera aplicación práctica de esta tecnología fue en los condensadores de arranques de motores de corriente alterna. La mayoría de los condensadores electrolíticos son polarizados, esto es, sólo pueden operar con corriente continua, pero usando varias placas de aluminio anodizado e intercalando entre ellas el electrolito de borax, es posible hacer un condensador que puede ser usado en sistemas de corriente alterna. Los condensadores del siglo XIX y principios del XX tienen pocas similitudes con los actuales, y eran construidos de forma más parecida a una batería de coche. El electrolito de disolución de bórax tenía que ser periódicamente redisuelto con agua destilada, algo que recuerda a las baterías de plomo ácido. La primera aplicación masiva de las versiones de corriente continua de este tipo de condensador fue en las centralitas telefónicas para suavizar los cambios de estado de los reles de las líneas de 48 voltios. El desarrollo de los receptores de radio domésticos de corriente alterna, a finales de los 1920 requirieron de la producción de condensadores de alta capacidad (para la época) y alto voltaje, como mínimo de 4 microfaradios y hasta 500 voltios. Los de papel enrollado y plata con aceite estaban disponibles entonces pero los dispositivos con ese orden de capacidad y voltaje eran pesados y prohibitivamente caros. El primer prototipo de un condensador electrolíticos moderno fue patentado por Julius Lilienfield en 1926. Su diseño seguía las líneas del condensador de mica y plata, pero con papel empapado en electrolito en lugar de la mica. Se probó que era difícil refrigerar el dispositivo y en las condiciones calientes típicas de los los receptores de radio se agujereaban y fallaban. El ingeniero retirado del ejército de Estados Unidos Ralph D. Mershon desarrolló el primer condensador electrolítico para radio comercialmente disponible en cualquier cantidad, aunque algunos otros investigadores produjeron dispositivos similares. El "condensador Mershon" como se le conoció, estaba construido como un condensador de papel convencional, con dos largas tiras de film de aluminio enrolladas con tiras de papel empapado en solución electrolítica, en lugar de cera. En lugar de intentar cerrarlo herméticamente, la solución de Mershon fue simplemente meter el condensador en una lata de aluminio o cobre, llena hasta la mitad de electrolito extra. (Estos son llamados "electrolíticos húmedos" por los radioaficionados, y los que se encuentran aún con algo de líquido dentro son piezas de coleccionista). A pesar del éxito inmediato de Mershon (y el nombre "Condensador de Mershon" fue durante un corto tiempo sinónimo de receptores de radio de calidad en los años 20), debido a varias dificultades de fabricación su tiempo de vida en funcionamiento era corto y la compañía de Mershon quebró en los primeros años 1930. No fue hasta la segunda guerra mundial cuando se dedicaron suficientes recursos para encontrar las causas de los problemas, que los condensadores electrolíticos se convirtieron en los componentes útiles que son hoy en día.
I. OBJETIVO Medir en forma experimental el ángulo y factor de pérdidas de un condensador. Se emplean los métodos de los tres amperímetros y los tres voltímetros. II.
FUNDAMENTO TEORICO
CONDENSADORES Los condensadores son componentes pasivos diseñados con el fin de almacenar energía electrostática o presentar una capacidad eléctrica determinada. Otra forma de definirlo sería la siguiente: componentes pasivos de dos terminales en los que la intensidad que los atraviesa (aparentemente) es proporcional a la variación de tensión existente entre sus terminales respecto al tiempo. Su unidad de medida en el S.I. es el Faradio aunque por las limitaciones características de los mismos se usan distintos submúltiplos (micro, μ / nano, n / pico, p). Desde el punto de vista constructivo, un condensador está constituido por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico. En su interior se establece un campo eléctrico, sin pérdida de energía, como consecuencia de la polarización dieléctrica (no confundir material aislante y dieléctrico, todos los dieléctricos son aislantes, pero no todos los aislantes son dieléctricos; los dieléctricos son materiales no conductores en los que resulta posible su polarización). La capacidad de un condensador va a depender del tamaño de sus placas, de la distancia que las separa y del material del que está formado el dieléctrico. Capacidad eléctrica y tensión de trabajo (WV).- Cuando dos conductores permanecen próximos entre sí, aparece cierta capacidad entre ellos. La magnitud de esta capacidad es directamente proporcional al área de los conductores, e inversamente proporcional a la distancia de éstos y en el caso de un condensador plano de placas paralelas vale:
Donde C es la capacidad en Faradios € es la constante dieléctrica y vale 8.85 x 10^-12 Culombios^2/(N x m^2) para el vacío. A es el área de las placas en m^2 d es la distancia que las separa en metros. Para un condensador dado, si sobrepasamos la tensión de trabajo (Working Voltage, WV) para el que ha sido diseñado, se puede destruir el mismo al producirse un arco eléctrico (chispa) y perforar el dieléctrico. Por este motivo, todos los condensadores tienen asignada una tensión de trabajo. Debemos fijarnos si se refiere a tensión alterna o a tensión
continua, y tener siempre presente este dato cuando trabajemos con tensiones eficaces, pues tendremos que convertir a tensiones de pico. La capacidad de un dieléctrico de soportar una tensión dada sin perforarse, se llama rigidez dieléctrica. El dieléctrico.- En la figura se representa un condensador plano de placas paralelas; el dieléctrico se interpone entre ambas placas, evitando que éstas entren en o. Cada dieléctrico posee características diferentes, y es el que confiere las propiedades al condensador, por lo que los condensadores se clasifican por el tipo de dieléctrico que utilizan. En la tabla se dan las constantes dieléctricas de diferentes materiales, relativas a la del vacío, que se toma igual a la unidad (e0= 1). Para el aire seco tiene un valor e= 1.0006
material
εr (ε0=1)
aire 1.0006 teflón 2.0 polipropileno (MKP) 2.1 poliestireno 2.5 policarbonato (MKC) 2.9 poliéster / mylar (MKT) 3.2 vidrio 4.0 - 8.5 mica 6.5 - 8.7 cerámica 6.0 - 50,000 óxido de aluminio 7.0 óxido de tántalo 11.0
Tipos de dieléctrico utilizados en condensadores
Condensadores electrolíticos axiales. Condensadores cerámicos, "SMD (montaje superficial)" y de "disco".
Condensadores electrolíticos de tantalio. Condensador variable de una vieja radio AM.
Condensadores de poliéster.
Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas. Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos. Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y
se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar. o Condensadores autoregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autoregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras. Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un corto entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el condensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolito empleados: o Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas. o Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen. o Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias. Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno. Condensadores de poliestireno también conocidos comúnmente como Styroflex(marca registrada de Siemens). Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso a las bobinas de sintonía, logrando de este modo estabilidad en los circuito resonantes. Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. Condensadores síncronos. Es un motor síncrono que se comporta como un condensador.
Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje. o Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.
TABLA COMPARATIVA DE CONDENSADORES SEGÚN DIELÉCTRICO Polié Policarb Poliprop Polié Policarb Poliprop vid Mic ster onato Paril ileno Poliesti Tefl ster onato ileno rio a metál metaliza eno metaliza reno ón MKT MKC MKP ico do do
DF% DA% Estabil idad Tolera ncia % Coste
0.1 0.5 MB 110 car o
0.1 0.3 MB 110 me dio
0.3-1 0.3-1 R 5-20 barat o
0.3-1 0.1-0.3 0.3-1 0.1-0.3 R B 5-20 1-20 barat medio o
0.1-0.3 0.1-0.3 B 1-20 medio
0.1 <0.1 MB 0.510 caro
0.010.03 <0.1 MB 1-20 caro
0.01 0.01- 0.03 0.01-0.1 0.03 <0. <0.1 <0.1 1 MB MB MB 1-20 0.5-10 0.5caro caro 10 +ca ro
Tipos de condensadores o capacitores
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: Capacitores cerámicos Son los que tienen un mayor rango de valores de su constante dieléctrica, pudiendo llegar a un valor de 50000 veces superior a la del vacío. Se basan en varias mezclas de óxido de titanio y zirconio, o bien en titanatos o zirconatos de calcio, bario, estroncio o magnesio, y atendiendo a esta variedad de compuestos, dan un rango amplísimo de constantes dieléctricas.
cond. cerámico de disco
cond. cerámico
Los materiales de alta constante dieléctrica, pueden ofrecer componentes pequeños para un valor relativamente elevado de capacidad. El inconveniente de estos dieléctricos de alta cte. dieléctrica es que el valor de la misma depende mucho de la temperatura, así como las pérdidas en el dieléctrico. Sin embargo, donde el valor de la capacidad es relativamente menos importante, como por ejemplo en filtros pasa RF, estos componentes son ampliamente utilizados.
El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Estos capacitores son muy económicos aunque presentan cierta inestabilidad, la capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se utilizan en aplicaciones de baja tensión. Rango de capacidad: 1 pF - 1 µF.
Capacitores de mica Es un dieléctrico de unas características intermedias entre los condensadores electrolíticos y los de película, teniendo una rigidez dieléctrica alta y otras características excelentes, como muy bajas pérdidas, pero su capacidad se limita hasta los 4700 pF aproximadamente.
cond. de mica Por el contrario, es muy caro, y al ser un material rígido, sólo se pueden construir condensadores en forma de láminas apiladas (stacked-film). Se utiliza en aplicaciones industriales de alta tensión, amplificadores de válvulas cuando se requiera poca capacidad y aplicaciones de precisión. 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. Son más costosos que los capacitores cerámicos y se utilizan en lugar de estos en aquellos casos donde se requiere mayor estabilidad y en aplicaciones de alta frecuencia.
Capacitores de plástico Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas tempeeraturas 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 capacitores de plástico:
TIPO KS KP MKP MKY MKT MKC
CAPACIDAD 2pF-330nF 2pF-100nF 1,5nF-4700nF 100nF-1000nF 680pF-10µF 1nF-1000nF
TOLERANCIA +/-0,5% +/-5% +/-1% +/-5% +/-5% +/-20% +/-1% +/-5% +/-5% +/-20% +/-5% +/-20%
TENSION 25V-630V 63V-630V 0,25KV-40KV 0,25KV-40KV 25V-630V 25V-630V
TEMPERATURA -55ºC-70ºC -55ºC-85ºC -40ºC-85ºC -55ºC-85ºC -55ºC-100ºC -55ºC-100ºC
Condensador electrolítico
Condensador electrolítico Axial (arriba) y radial (abajo). Un condensador electrolítico es un tipo de condensador que usa un líquido iónico conductor como una de sus placas. Típicamente con más capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia. Este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente alterna pero no corriente continua. Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia. Construcción Los condensadores electrolíticos de aluminio se construyen a partir de dos tiras de aluminio, una de las cuales está cubierta de una capa aislante de óxido, y un papel empapado en electrolito entre ellas. La tira aislada por el óxido es el ánodo, mientras el líquido electrolito y la segunda tira actúan como cátodo. Esta pila se enrolla sobre sí misma, ajustada con dos conectores pin y se encaja en un cilindro de aluminio. Las dos geometrías más populares son las axiales y radiales mostradas en la fotografía. Polaridad En los condensadores electrolíticos de aluminio, la capa de óxido aislante en la superficie de la placa de aluminio actúa como dieléctrico, y es la delgadez de esta capa la que permite obtener una gran capacidad en un pequeño volumen. La capa de óxido puede mantenerse inafectada incluso con una intensidad de campo eléctrico del orden de 109 voltios por metro. La combinación de alta capacidad y alto voltaje resultan en una gran densidad energética. Al contrario que la mayoría de los condensadores, los electrolíticos tienen polaridad. La polaridad correcta se indica en el envoltorio con una franja indicando el signo negativo y unas flechas indicando el terminal que debe conectares al potencial menor (terminal negativo). También, el terminal negativo es más corto que el positivo. Esto es importante porque una conexión con voltaje invertido de más de 1,5 Voltios puede destruir la capa
central de material dieléctrico por una reacción de reducción electroquímica. Sin este material dieléctrico, el condensador entra en cortocircuito, y si la corriente es excesiva, el electrolito puede hervir y hacer explotar el condensador. Existen disponibles condensadores especiales para uso con corriente alterna, normalmente conocidos como "condensadores no-polares" o "NP". En ellos, las capas de óxido se forman en las dos tiras de aluminio antes del ensamblado. En los ciclos alternos, una u otra de las placas actúan como un diodo, evitando que la corriente inversa dañe el electrolito de la otra. Esencialmente, un condensador de 10 microfaradios de alterna se comporta como dos de 20 microfaradios de continua conectados en serie inversa. Los condensadores modernos tienen una válvula de seguridad, típicamente en una esquina del envoltorio o una terminación especialmente diseñada para ventilar el líquido/gas caliente, pero aun así las rupturas pueden ser dramáticas. Los condensadores electrolíticos pueden soportar una tensión inversa por un tiempo corto, pero durante este tiempo conducirán mucha corriente y no se comportarán como verdaderos condensadores. La mayoría sobrevivirán sin tensión inversa, o con tensión alterna, pero los circuitos deben diseñarse siempre pensando en que no haya tensión inversa durante tiempos significativos. La corriente directa constante (con la polaridad correcta) es lo preferible para aumentar la vida del condensador.
Condensador
Condensador Polarizado
Condensador Variable
Símbolos esquemáticos para condensadores electrolíticos. Algunos esquemas no incluyen el signo "+" al lado del símbolo. Los condensadores electrolíticos se marcan para indicar la polaridad de los terminales.
Nota: La marca en el envoltorio de metal indica el terminal negativo. Electrolito El electrolito es usualmente ácido borico o borato de sodio en disolución acuosa junto con algunos azúcares o glicol de etileno que se añaden para retardar la evaporación. Conseguir un buen balance entre la estabilidad química y la baja resistencia eléctrica interna es complicado y de hecho la composición exacta de los buenos electrolitos es un secreto comercial guardado celosamente. Llevó muchos años de dolorosas investigaciones antes de que fueran desarrollados condensadores útiles. Los electrolitos pueden ser tóxicos o corrosivos. Trabajar con electrolitos requiere medidas de seguridad y equipo de protección apropiado como guantes, máscaras y gafas de seguridad. Algunos viejos electrolitos de tantalio, a menudo llamados de "pulmon húmedo" contienen ácido sulfúrico corrosivo, pero la mayoría de ellos ya no se usan debido a la corrosión. Variantes
Condensadores electrolíticos de varios tamaños. Al contrario que otros condensadores que usan dieléctricos hechos de un material aislante intrínseco, el dieléctrico en los condensadores electrolíticos dependen de la formación y estabilidad de una capa microscópica de óxido metálico. Comparados con los normales, esta capa verdaderamente fina de dieléctrico permite capacidades mucho mayores en el mismo volumen, pero mantener la integridad de esta finísima capa de óxido requiere la cuidadosa aplicación de la polaridad correcta en corriente continua, o sino la capa de óxido se deshace o rompe causando que el condensador falle. Adicionalmente, los condensadores electrolíticos usan internamente química de disoluciones y pueden fallar eventualmente si el agua de la disolución se evapora debido a temperaturas altas.
La capacidad de los electrolíticos no está tan precisamente especificada como en el caso de los condensadores de dieléctrico solido normales. Especialmente con los electrolíticos de aluminio, es bastante común ver especificaciones que "garantizan un valor mínimo" sin "límite máximo" de capacidad. Para la mayoría de los propósitos (como en alimentadores de corriente o acoplamiento de señales) este tipo de especificación es aceptable. Como ocurre con los condensadores de dieléctrico sólido normales, los condensadores electrolíticos vienen en diferentes variedades:
Aluminio: compacto pero poco preciso, los hay disponibles en el rango de <1 µF hasta 1 F, con voltajes de trabajo de hasta varios cientos de voltios.
El dieléctrico es una fina capa de óxido de aluminio. Contiene liquido corrosivo y pueden hervir si se conectan al revés. La capa de óxido aislante tiende a deteriorarse en ausencia de voltaje "rejuvenecedor", y eventualmente el condensador fallará si no se le aplica voltaje. Los electrolíticos bipolares (también llamados No-polarizados o NP) contienen dos condensadores conectados en serie inversa y se usan cuando ocasionalmente la corriente continua pueda invertirse. Sus malas características de frecuencia y temperatura los hacen inservibles para aplicaciones de alta frecuencia. Sus valores típicos de ESL son de pocos nanohenrios. 1
Tántalo: compacto, dispositivo de bajo voltaje de hasta varios cientos de mF, tienen menor densidad energética pero son mucho más precisos que los de aluminio. Los condensadores de tántalo también son polarizados debido a sus electrodos diferentes. El cátodo está formado por granos de tántalo, con el dielectrico formado electroquímicamente por una fina capa de óxido. La finura de la capa de óxido y la gran superficie del material poroso le otorgan una gran capacidad por unidad de volumen. El cátodo está formado bien por un liquido electrolito conectado al envoltorio metálico o bien por una capa semiconductora de dióxido de manganeso, que luego se conecta a un terminal externo. Una variante de este tipo reemplaza el dióxido de manganeso por un polímero plástico conductor que reduce la resistencia interna y elimina la auto-ignición en caso de fallo.2
Comparados con los electrolíticos de aluminio, los condensadores de tántalo tienen una capacidad muy precisa y estable, poca caída de tensión y muy baja impedancia a altas frecuencias. Sin embargo, al contrario que los de aluminio, no toleran picos de tensión y se destruyen (a veces explotando violentamente) si se conectan al revés o se exponen a picos de tensión o altas temperaturas. Los condensadores de Tántalo son más caros que los de aluminio y generalmente solo se pueden usar en bajo voltaje, pero debido a su gran capacidad por unidad de volumen y baja impedancia eléctrica a altas frecuencias son muy populares en aplicaciones miniaturizadas como los teléfonos móviles.
Condensadores de película.- Todos los condensadores de película son no polarizados, es decir, no requieren marcar una patilla como positiva o negativa, siendo indiferente su conexión en el circuito. Son los preferidos en los circuitos de audio de calidad, siempre que el tamaño lo permita, por sus pocas pérdidas y distorsión reducida. Se pueden construir enrollando el conjunto placas-dieléctrico, similar a un electrolítico, o bien apilando en capas sucesivas como un libro (stacked film-foil). Se emplean mayoritariamente como dieléctricos diferentes plásticos, como polipropileno (MKP), poliéster/mylar (MKT), poliestireno, policarbonato (MKC) o teflón. Pala las placas se utiliza mayoritariamente aluminio con un alto grado de pureza. Según el tipo de dieléctrico utilizado, para una misma capacidad y tensión de trabajo, se obtienen condensadores de distinto tamaño.
cond. policarbonato (MKC)
cond. polipropileno (MKP)
cond. poliéster (MKT)
cond. poliestireno
La alta rigidez dieléctrica del poliéster, permite hacer condensadores de poco tamaño y a costes relativamente bajos, de uso rutinario allí donde no se necesiten calidades especiales. Se disponen de capacidades de entre 1000 pF y 4.7 uF, a tensiones de trabajo de hasta 1000V. El factor de pérdidas por dieléctrico es relativamente alto en el poliéster. Para audio, el polipropileno o poliestireno permiten unas pérdidas mucho menores en el dieléctrico, pero son mucho mayores en tamaño, además de mucho más caros. Los de poliestireno son utilizados en filtros/crossovers. Un inconveniente de los condensadores de poliestireno es el bajo punto de fusión del dieléctrico. Por ello suelen diferenciarse estos condensadores, ya que se protege el dieléctrico separando los pines de soldadura del cuerpo del condensador, tal como muestra la foto.
Capacitores de doble capa eléctrica Estos capacitores también se conocen como supercapacitores 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.
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 de radio) 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.
Condensador ideal y condensador real.
El condensador real siempre tiene una componente inductiva y una parte resistiva, así como otros elementos, como las pérdidas en el dieléctrico. El dibujo representa un condensador típico real con los parámetros más habituales.
C1 = capacidad del condensador L = inductancia serie (patillas) Rs = resist. equivalente serie (ESR) Rp = Resistencia paralelo C2, R = parte de la absorción del dieléctrico condensador equivalente El circuito podría representar cierto tipo de condensadores, pero no tiene por qué ajustarse a todos los modelos, es un esquema típico. Todas estas componentes toman especial relevancia a altas frecuencias (RF).
La resistencia paralelo Rp, o resistencia de aislamiento, causa pérdidas en forma de calor. La resistencia serie equivalente Rs, (ESR) limita la impedancia mínima que ofrece el condensador, y también causa pérdidas en forma de calor. Este es el parámetro más significativo de cuantos se dan. Lo forman las resistencias de las propias placas, las patillas del condensador y los terminales de conexión de éstas a las placas. Cuando un capacitor se conecta a un circuito eléctrico o electrónico, se introducen otros determinados parámetros tales como la resistencia paralelo (que representa las pérdidas) y las pérdidas dieléctricas. También aparece la resistencia serie, que consiste en la resistencia óhmica de los terminales y de todas las otras partes conductoras del capacitor. También se introduce una inductancia en serie con la capacitancia. Su valor depende de la capacidad del capacitor, de su diseño mecánico y del material utilizado. La Figura a. es el circuito equivalente de un capacitor. A frecuencias muy elevadas, el circuito equivalente puede llegar a ser más complejo.
Fig. a - Circuito equivalente de un capacitor.
Fig. b -. Circuito equivalente simplificado del capacitor: (A) pérdidas representadas por la resistencia paralela y (B) pérdidas representadas por resistor serie.
Sin embargo, en frecuencias bajas puede simplificárselo de modo que todas las pérdidas queden representadas por un resistor paralelo (Rp) o un resistor serie (Rs), como se representa en la Figura b.
PÉRDIDAS EN UN CONDENSADOR Es muy importante la determinación exacta de la capacidad de un condensador para lo cual se requiere tener en cuenta ciertos problemas que surgen de las características de un condensador real. Un condensador consiste de dos electrodos separados por un aislante ideal ( ); al aplicar una tensión alterna V a los electrodos del condensador se ha de producir una corriente I desfasada 90º que respecto a la tensión, tal como se muestra en la figura adjunta.
En un condensador real C, el aislante por bueno que sea, tiene una resistencia de un valor determinado y conduce las cargas haciendo el efecto de una componente activa. En consecuencia en un condensador real el ángulo de desfasaje es inferior a 90º. Cuanto mayor es la diferencia entre el ángulo y 90º ( ) peor es la calidad del aislante utilizado en la construcción del condensador y en consecuencia la calidad del condensador. Considerando esto, se puede representar un condensador con un circuito equivalente de dos maneras. Un condensador real se puede representar como un condensador ideal (sin pérdidas) conectado en serie con una resistencia equivalente como se muestra en la figura adjunta
También se puede representar un condensador real como un ideal conectado en paralelo con una resistencia equivalente tal como se muestra en la figura adjunta.
El ángulo se denomina ángulo de pérdidas y es el factor de pérdidas. Por lo tanto y por lo general el ángulo de pérdidas es muy pequeño (depende de la calidad del condensador) y en este caso se puede asumir que .
Hemos visto que el condensador real está formado tanto por una parte resistiva y reactiva; esta última incluso puede contener inductores como el siguiente caso:
C1 = capacidad del condensador L = inductancia serie (patillas) Rs = resist. equivalente serie (ESR) Rp = Resistencia paralelo C2, R = parte de la absorción del dieléctrico El circuito podría representar cierto tipo de condensadores reales, pero no tiene por qué ajustarse a todos los modelos, es un esquema típico. Todas estas componentes toman especial relevancia a altas frecuencias.
A pesar de que existen muchas formas de representar un condensador real, el cálculo del ángulo y del factor de pérdidas es el mismo; para realizar dicho cálculo se utiliza principalmente dos método: el método de los tres voltímetros y el método de los tres amperímetros.
Método de los tres voltímetros
El esquema correspondiente a este método es el de la figura adjunta. En ella R1 es una resistencia patrón de valor conocido y Z es la impedancia que representa al condensador real.
Considerando que las resistencias de los voltímetros son infinitas se deduce del diagrama fasorial o vectorial:
( Donde
es el desfase entre ̅̅̅ e ̅ con lo cual
é é
)
Método de los tres amperímetros El esquema correspondiente a este método es el de la figura adjunta. En ella G1 es una conductancia patrón de valor conocido e Y es la itancia que representa al condensador real.
Despreciando las resistencias de los amperímetros se deduce del diagrama fasorial o vectorial:
(
Donde
es el desfase entre ̅ e ̅ con lo cual
é é
)
III.
EQUIPO Y MATERIALES
1 Autotransformador variable (0-230) V, 6 A.
1 Multímetro
Cables de conexión
Resistencia variable
Condensadores electrolíticos
1 Amperímetro de pinza
IV.
PROCEDIMIENTO A. Armar el circuito de la figura 2A
a) Colocar R1 al máximo valor. b) Regular la salida del autotransformador desde cero hasta 220 V, tomando juegos de valores de Vs, As, VR1 y Vc. c) Determinar los errores teorico-exerimental, dando el error relativo porcentual. d) Manteniendo el voltímetro Vs y una tensión constante de 220 V; regular la resistencia R1 desde el valor máximo al valor mínimo y tomar juegos de valores de Vs, As, VR1 y Vc.
Montaje del circuito a utilizar
B. Armar el circuito de la figura 2B.
1) La resistencia R2 poner a su máximo valor. 2) Regular la salida del autotransformador variando la tensión desde cero hasta 220 V, tomando juegos de valores de Vs, As, AR2 y Ac.
Montaje del circuito utilizado
CALCULOS Y RESULTADOS METODO DE LOS 3 VOLTIMETROS CASO IA Vs = variable R=640Ω Vs(V) As(A) VR1(V) 220 0.35 215.8 200 0.306 195.5 180 0.287 176.3 160 0.263 157.3 140 0.228 137.2 120 0.2 117.6 100 0.168 97.8 80 0.132 78.4 60 0.101 58.75 40 0.068 39.46 20 0.037 19.6 4.08 0.014 3.99
Vc(V) 44.45 40.25 36.24 32.4 28.25 24.13 20 16.09 12.06 8.12 4.04 0.8
C=20.2µF Ø 90.4343751 89.41862231 89.97770445 91.08521222 90.16188788 90.12131675 89.48503407 90.12372741 89.87894714 92.05916677 90.17423779 89.2254423
-0.4343751 0.58137769 0.02229555 -1.08521222 -0.16188788 -0.12131675 0.51496593 -0.12372741 0.12105286 -2.05916677 -0.17423779 0.7745577
TAN( ) -0.00758142 0.010147303 0.000389131 -0.01894279 -0.00282548 -0.00211738 0.008988093 -0.00215945 0.002112774 -0.03595472 -0.00304103 0.013519406
CASO IB R1 = variable Vs=220 V R1(Ω) As(A) VR(V) Vc(V) Ø TAN( ) 640 0.344 217.1 45.1 92.24302461 -2.24302461 -0.03916818 617 0.362 214.5 46.7 89.40267375 0.59732625 0.010425687 558.5 0.385 213.7 50.3 89.46104731 0.53895269 0.009406776 504.8 0.427 212.2 55.3 89.23567782 0.76432218 0.01334073 460.6 0.454 209.7 60.8 88.36115381 1.63884619 0.028611065 418.9 0.523 208.4 67.2 89.07206473 0.92793527 0.016196942 358.4 0.593 205.4 75.7 89.11494271 0.88505729 0.015448393 321.6 0.652 202.6 82.7 89.12120903 0.87879097 0.015338999
METODO DE LOS 3 AMPERIMETROS CASO II Vs = variable R=417Ω C=20.2µF Vs(V) As(A) Ac(A) AR(A) Ø TAN( ) 4.12 0.029 0.029 0.007 96.9319062 -6.9319062 -0.12157836 30 0.23 0.229 0.068 82.31460209 7.68539791 0.1349458 60 0.475 0.467 0.14 84.70632711 5.29367289 0.09265582 90 0.72 0.707 0.212 84.9488668 5.0511332 0.08838801 120 0.957 0.94 0.285 84.75543017 5.24456983 0.09179152 150 1.183 1.178 0.358 82.07039428 7.92960572 0.13928817 180 1.418 1.412 0.43 82.05148805 7.94851195 0.13962456 210 1.658 1.643 0.503 82.9280042 7.0719958 0.12406027 220 1.736 1.717 0.527 83.26873115 6.73126885 0.11802631
Finalmente: CASO 1A CASO 1B CASO 2 FACTOR DE PERDIDAS -0.00312213 0.00870005 0.089689122 ANGULO DE PERDIDAS -0.17880618 0.49852578 5.113805551
V.
CUESTIONARIO
1.- ¿Cuál es la finalidad de R1 y R2 en la determinación del ángulo de perdidas y el factor de pérdidas del condensador utilizado? La finalidad de R1 en la determinación del ángulo de pérdidas y el factor de pérdidas del condensador utilizado es la de actuar como una resistencia patrón para medir las caídas de tensión que aparecen en el circuito del método de los tres voltímetros para luego calcular el ángulo y el factor de pérdidas de un condensador. Asimismo la finalidad de R2 es también de actuar como resistencia patrón en el circuito del método de los tres amperímetros, donde se miden las intensidades de corriente en R2, en el condensador real y en la fuente para luego determinar el ángulo y el factor de pérdidas de dicho condensador.
2.- ¿Cuál es la importancia del ángulo de perdidas y el factor de pérdidas del condensador? El ángulo de pérdidas y el factor de pérdidas del condensador son conceptos muy importantes que definen la calidad y el comportamiento de un condensador eléctrico. Si consideramos un condensador ideal, sin perdidas, el Angulo de desfase entre la corriente I y la tensión V seria 90º. Naturalmente esta es una situación ideal, la realidad es que todos los condensadores sufren pérdidas en mayor o menor medida provocadas por el film de propileno, la metalización de las placas, las soldaduras, sus conductores, etc. Debido a estas pérdidas el ángulo de desfase ( ) no es de 90º, sino que la corriente I se adelanta respecto a la tensión V formando un nuevo ángulo , este ángulo se llama ángulo de perdidas y su tangente es el factor de pérdidas del condensador. Este ángulo ocasiona que se generen pérdidas de potencia activa por efecto Joule en el condensador. 3.- Investigar el factor de perdidas y el ángulo de perdidas en condensadores normalizados, tales como condensadores con dieléctricos de papel, aceite, papel impregnado en aceite, cerámica, poliéster, etc.
4.- Comentar sobre algunas observaciones y conclusiones experimentales.
Se observó ángulos de pérdidas negativos en algunas mediciones, esto se debería a los componentes C2 y L del modelo del condensador real. Se concluye que el método más preciso es el método de los tres voltímetros (CASO IB), pues se obtienen ángulos muy pequeños lo cual concuerda con la teoría. El método de los tres amperímetros es poco preciso porque al momento de la lectura del valor eficaz de la corriente la pinza debe estar en posición perpendicular al conductor, de lo contrario obtendríamos lecturas erroneas. El condensador elegido tiene un factor de perdida aceptable, pues se encuentra en el rango de 10-2 a 10-3 .
BIBLIOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_electrol%C3%ADtico http://www.lcardaba.com/articles/cond/cond.htm http://www.siste.com.ar/capacitores.htm http://www.sapiensman.com/electrotecnia/problemas34.htm http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componentes/codigos/conde.htm http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm09/trb9_3.html http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm09/trb9_4.html http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_diel%C3%A9ctrica
ANEXO Medición del ángulo y del factor de pérdidas de un condensador por el método del vatímetro. Para determinar el ángulo y el factor de pérdidas de un condensador mediante un vatímetro se utiliza el esquema de la figura adjunta.
El vatímetro señala la potencia disipada y del producto de las lecturas del amperímetro y del voltímetro se obtiene el valor de la potencia aparente. En base de los valores obtenidos de la medición, se calcula el factor de potencia el cual en un condensador real es de muy bajo valor.
Luego
De donde se obtiene que Angulo de pérdidas: Factor de pérdidas:
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