Jeefferso Vásquez

16.402.362 Circuitos Eléctricos I

SAIA A

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD FERMIN TORO

CABUDARE - LARA

1- CONDENSADORES

¿Qué es un Condensador?

Un condensador es un componente eléctrico que almacena carga eléctrica, para

liberarla posteriormente. También se suele llamar capacitor. En la siguiente imagen vemos

varios tipos diferentes.

Recuerda que la carga eléctrica es la cantidad de electricidad. Si no tienes claro lo que es

la carga o quieres saber más sobre carga y otras magnitudes te recomendamos el

siguiente enlace: Magnitudes Eléctricas.

¿Cómo almacena la Carga el Condensador?

Para almacenar la carga eléctrica, utiliza dos placas o superficies conductoras en forma

de láminas separadas por un material dieléctrico (aislante). Estas placas son las que se

cargarán eléctricamente cuando lo conectemos a una batería o a una fuente de tensión.

Las placas se cargarán con la misma cantidad de carga (q) pero con distintos signos (una +

y la otra -). Una vez cargado ya tenemos entre las dos placas una d.d.p o tensión, y estará

preparado para soltar esta carga cuando lo conectemos a un receptor de salida.

El material dieléctrico que separa las placas o láminas suele ser aire, tantalio, papel,

aluminio, cerámica y ciertos plásticos, depende del tipo de condensador. Un material

dieléctrico es usado para aislar componentes eléctricamente entre si, por eso deben de

ser buenos aislantes. En el caso del condensador separa las dos láminas con carga

eléctrica.

La cantidad de carga eléctrica que almacena se mide en Faradios. Esta unidad es muy

grande, por eso se suele utilizar el microfaradio 10 elevado a menos 6 faradios. 1 µF = 10-

6 F. También se usa una unidad menor el picofaradio, que son 10 elevado a menos 12

Faradios. 1 pF = 10-12 F.

Esta cantidad de carga que puede almacenar un condensador, se llama Capacidad del

Condensador y viene expresada por la siguiente fórmula:

C = q / V

q = a la carga de una de los dos placas. Se mide en Culombios.

V = es la tensión o d.d.p entre los dos extremos o placas o lo que es lo mismo la tensión

del condensador. Se mide en voltios.

Según la fórmula un condensador con una carga de 1 Culombio con una tensión de 1

Voltio, tendrá una capacidad de 1 Faradio. Como ya dijimos antes este condensador sería

enorme, ya que 1 Faradio es una unidad de capacidad muy grande (ocuparía un área

aproximada de 1.011m2 que en la práctica es imposible).

Podríamos despejar la tensión del condensador en la fórmula anterior y quedaría:

V = q/C

Carga y Descarga de Un Condensador

Un condensador no se descarga instantáneamente, lo mismo que ocurre si queremos

pasar en un coche de 100Km/h a 120Km/h, no podríamos pasar directamente, sino que

hay un periodo transitorio. Lo mismo ocurre con su carga, tampoco es instantánea. Como

veremos más adelante, esto hace que los condensadores se puedan usar como

temporizadores.

Vamos a ver como se carga y descarga un condensador partiendo de un circuito muy

sencillo, en el que solo tenemos una resistencia de salida R2 y un conmutador, paro cargar

o descargar el condensador, dependiendo de su posición. La R1, como ya veremos es para

poder controlar el tiempo de carga y se llama resistencia de carga.

Carga del Condensador

Al poner el conmutador en la posición del circuito anterior, el condensador estará en serie

con R2 y estará cargándose.

El tiempo de carga dependerá de la capacidad del condensador y de la resistencia que

hemos puesto en serie con él. La resistencia lo que hace es impedir el paso de la corriente,

por eso cuanto mayor sea esta, mayor será el tiempo de carga, los electrones que circulan

por el circuito irán más lentos hacia el condensador por culpa de la resistencia.

Fíjate en la gráfica del tiempo en función de la tensión del condensador, el condensador

se va cargando hasta alcanzar su capacidad máxima al cabo de 5 x R1 x C segundos.

¿Qué pasaría si no colocamos la resistencia de carga R1? Según la fórmula al ser R1 = 0 ,

el condensador se cargará instantáneamente, pero no es así porque el propio

condensador tiene una pequeña resistencia, que para los cálculos se considera

despreciable frente a R1.

De todas formas no es recomendable cargar un condensador directamente sin

resistencia de carga, ya que la corriente de carga podría ser muy alta y dañar el

condensador. Recuerda I = V / R (ley de ohm). Si R es muy pequeña, la I será muy grande.

En el caso del condensador la corriente sería I = V / Icondensador, como la I del

condensador es muy pequeña el condensador se cargaría con una I muy grande. Esto

podría hacer que los conductores del circuito y el propio condensador no la soporten y se

quemen.

¿Qué pasa una vez que el condensador está cargado completamente? Una vez que el

condensador se ha cargado, ya no necesita más carga de la batería y por lo tanto se

comportaría como un interruptor abierto. Entre los dos extremos del condensador

tendríamos una d.d.p, la del condensador, pero no habría circulación de corriente a

través de él, es decir la I por el condensador será 0 amperios, pero si tendrá voltaje.

En el circuito anterior al cabo de un tiempo el condensador se habrá cargado y la batería

no suministra más corriente al condensador, el condensador estará cargado y actuará

como un interruptor abierto. Ojo en el momento que cambiemos la posición del

conmutador, el condensador se descargará sobre R2 y si que circulará corriente a través

de él. Esto lo vemos a continuación.

Descarga del Condensador

Como ves en el esquema, hemos cambiado la posición del conmutador y ahora la carga

del condensador se descargará sobre la resistencia de salida R2.

Igual que antes, esta descarga no será instantánea, dependerá de la R2 de salida y de la

capacidad del condensador. La fórmula para la carga y descarga del condensador es la

misma. A mayor R2 mayor tiempo de descarga.

Si además de la R2 pusiéramos otro receptor, por ejemplo un led o una lámpara,

podríamos controlar el tiempo que estará encendido, que será el tiempo que dure la

descarga a través de R2 y del Led o lámpara. Además si la R2 fuera un potenciómetro

(resistencia variable), podríamos variar el tiempo de descarga cambiando el valor de la

resistencia del potenciómetro. ¡¡¡Hemos construido un temporizador!!!. Aquí tienes el

circuito:

OJO de la misma forma que no es recomendable cargar un condensador sin R1, tampoco

lo es descargarlo directamente sin R2, estaríamos provocando un cortocircuito, con un I

muy grande de descarga y por lo tanto también podríamos quemar el condensador.

El Condensador como Filtro

Fíjate en el siguiente circuito:

DISEÑO DE UN CONSENDADOR:

Como ya sabemos un condensador es un dispositivo para almacenar una carga eléctrica

pequeña. Cuando dos placas conductoras están separadas por un aislante pequeño

llamado un dieléctrico, éstas producen un campo eléctrico. La fuerza de este campo se

denomina la capacidad del condensador. Cuanto más delgado es el aislador y más amplios

y más planos son los conductores, mayor es la capacitancia. El papel de aluminio es

conductor mientras el papel envolvente es aislante. Ambos son planos y delgados, lo que

los convierte en materiales ideales para la construcción de un condensador de bricolaje.

Instrucciones

1. Pela el aislamiento de los extremos de dos piezas de cable de cobre. Cerca de una pulgada

o dos (2,54 o 5,08 cm) debería ser suficiente.

2. Pon una hoja de papel transparente sobre una mesa. Trata de extenderlo completamente

de manera que quede plano y sin arrugas.

3. Pon una hoja de papel de aluminio en el medio del papel transparente. La lámina de

aluminio debe ser al menos un centímetro más corta o menos y más estrecha que el papel

transparente. Mientras más larga y ancha sea la banda de aluminio, mayor electricidad

podrá almacenar el condensador.

4. Une un cable hasta el borde de la hoja de papel de aluminio pegándolo con cinta de

celofán. Haz que el cable esté realmente en contacto con la lámina.

5. Coloca otra hoja de papel transparente, exactamente en la parte superior de la primera

hoja. Después coloca una segunda lámina de papel de aluminio en la parte superior y

conecta un segundo cable directamente encima del primero.

6. Cuidadosamente rueda toda la pila para formar un cilindro con el papel transparente en el

exterior. Luego, cubre todo el artefacto con una cinta de celofán para mantenerlo unido.

APLICACIÓN EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA

Motores Eléctricos Monofásicos: Los capacitores denominados “capacitores de

arranque” se utilizan para mejorar el arranque de los motores monofásicos

Dispositivos de Almacenamiento de Energía en Unidades de Destello

Electrónicas: En laboratorios científicos donde se necesita una muy gran cantidad

de energía en unos instantes para hacer usada en aceleradores de partículas o

equipos semejantes, la energía de la compañía eléctrica no es suficiente para ello.

Sensores y Transductores: Como transductores entre ondas acústicas y eléctricas,

elementos capacitivos se usan como emisores y como receptores de ecógrafos en

medicina y de sonares en biología marina.

Sintonizadores de frecuencia: En receptores de radio, TV, etcétera, se utilizan los

condensadores variables para igualar la impedancia en los sintonizadores de las

antenas y fijar la frecuencia de resonancia para sintonizar la radio.

Computadores: Los circuitos digitales en las computadoras transportan pulsos

electrónicos a altas velocidades. Estos pulsos en un circuito pueden interferir con

las señales de un circuito lindante, por lo cual los diseñadores de computadoras

incluyen capacitores para minimizar la interferencia. A pesar de que son más

pequeños que los usados en los suministros de energía, realizas la misma función

básica: absorber el ruido eléctrico que se pierde

Fuentes de alimentación: En las fuentes de alimentación (de corriente y/o de

voltaje), los capacitores se utilizan para eliminar ("filtrar") el rizado o ripple

remanente de la conversión de corriente alterna (AC) en continua (DC) realizada

por un circuito rectificador.

2- BOBINAS

El funcionamiento de la bobina se basa en el principio de inducción magnética. Esto es,

cuando una corriente eléctrica pasa por un alambre produce un campo magnético a su

alrededor y cuando deja de pasar esta corriente, se contrae el campo magnético y se

introduce electricidad en cualquier alambre que esté dentro de las líneas de fuerza de

campo.

Los transformadores, en los que aumenta o disminuye el voltaje, funcionan con este

mismo principio. La bobina, que es un transformador, tiene dos alambres largos, uno

grueso y otro delgado, que van embobinados (devanados) en un núcleo de hierro dulce.

El alambre grueso, que da varios cientos de vueltas, se llama embobinado primario, va

conectado al acumulador y recibe la corriente de bajo voltaje; el alambre delgado, que da

miles de vueltas al rededor del núcleo, se llama embobinado secundario.

Cuando el switch (interruptor) y los platinos están cerrados, por el embobinado primario

llega a la bobina una corriente de bajo voltaje y genera un campo magnético a lo largo y

alrededor del núcleo de hierro.

Al abrirse los platinos, cesa el paso de la corriente de bajo voltaje y el campo magnético se

contrae induciendo así una corriente de alto voltaje en el embobinado secundario, que

llega al distribuidor y de ahí a las bujías. La diferencia entre los voltajes que reciben ambos

embobinados es proporcional a la diferencia entre las vueltas del alambre de cada uno de

ellos:

Si el embobinado secundario tiene 100 vueltas del alambre porcada vuelta del

embobinado primario, el voltaje del primero será 100 veces mayor. Circuitos

El sistema de encendido consta de dos circuitos, el de bajo voltaje o primario y el de alto

voltaje o secundario.

La bobina es un elemento muy interesante. A diferencia del condensador, la bobina por su

forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético.

Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético

generado por la mencionada corriente, siendo el sentido de flujo del campo magnético el

que establece la ley de la mano derecha. Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el

campo magnético circula por el centro de la bobina y cierra su camino por su parte

exterior.

Una característica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la

corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que

circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de poder), esta

tratará de mantener su condición anterior.

Las bobinas se miden en Henrios (H.), pudiendo encontrarse bobinas que se miden en

MiliHenrios (mH). El valor que tiene una bobina depende de:

El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor

valor en Henrios).

El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en

Henrios).

La longitud del cable de que está hecha la bobina.

El tipo de material de que esta hecho el núcleo si es que lo tiene.

DISEÑO DE UNA BOBINA

El diseño de los inductores se basa en el principio de que un campo magnético variable

induce un voltaje en cualquier conductor en ese campo. Así , un inductor práctico puede

ser sencillamente una bobina de alambre.

La corriente en cada espira de la bobina produce un campo magnético que pasa a través

de las espiras vecinas. Si la corriente a través de la bobina es constante, el campo

magnético es constante y no sucede nada. Sin embargo un cambio en la corriente produce

un cambio en el campo magnético. La energía absorbida o liberada del campo magnético

cambiante reacciona contra el cambio de la corriente, y esto se presenta como un voltaje

inducido, el cual es contrario al cambio del voltaje aplicado. Así, el inductor se comporta

como una impedancia de la corriente alterna. A esta propiedad de los inductores se le

conoce como reactancia inductiva y tiene las unidades de ohms: XL = ω L = 2 π f L donde,

XL = reactancia inductiva ω = frecuencia en radianes/segundo f = frecuencia en hertz L =

inductancia en henrys La reactancia inductiva, al igual que la reactancia capacitiva,

depende de la frecuencia. Sin embargo, para los inductores, la reactancia aumenta cuando

se incrementa la frecuencia. Cuando la corriente del circuito es directa, entonces el

inductor se comporta como un cortocircuito. Los inductores se fabrican enrollando

alambre en varias configuraciones de bobinas. Esto restringe el campo magnético dentro

del espacio físico alrededor del inductor y crea el mayor efecto de inductancia por unidad

de volumen del elemento.

Factores que Afectan la Inductancia.:

Los principales factores que determinan la magnitud de la inductancia en una bobina son:

1. El número de vueltas de la bobina.

2. El tipo y forma del material del núcleo.

3. El diámetro y espaciamiento de las vueltas.

En la figura B.2 se observan dos bobinas diferentes. La bobina del inciso A), tiene solo dos

vueltas, mientras la bobina del inciso B) tiene cuatro. En la bobina A), el campo magnético

de una de las vueltas corta el campo de la otra vuelta. En la bobina B), el campo

magnético de una de las vueltas corta el campo de los otros tres campos. Al duplicar el

número de vueltas de una bobina el campo magnético será doblemente más fuerte. Un

campo del doble de fuerza atravesando el doble número de vueltas inducirá cuatro veces

el valor del voltaje. Así, el valor de la inductancia de una bobina es igual al cuadrado del

número de vueltas de la bobina.

El segundo factor que afecta a

la inductancia es el diámetro

de la bobina. En la figura B.3, el

inductor de la figura B) tiene el doble de diámetro que el de la figura A). Físicamente, esto

requiere más cable para construir una bobina de diámetro grande que en una de diámetro

pequeño con igual número de vueltas. Así, en una bobina con diámetro grande se

generará un número mayor de líneas de fuerza. Por lo tanto, la inductancia de una bobina

aumenta directamente el aumento del área transversal de la bobina. Dado que el área del

círculo se calcula por A = πr 2 , podemos decir que al duplicar el radio la inductancia

aumenta por un factor de cuatro.

Otro factor que afecta a la inductancia de una bobina es la longitud de ésta. En la figura

B.4 se muestran dos ejemplos relacionados con el espaciamiento de las espiras. La bobina

A) tiene tres vueltas altamente espaciadas, formando una bobina larga. Una bobina de

este tipo tiene pocas líneas de flujo debido a la gran distancia entre cada vuelta. Por lo

tanto, la bobina A) tiene una inductancia relativamente baja. La bobina de la figura B)

tiene espiras más cercanas que forman una bobina de menor tamaño. Este menor

espaciamiento aumenta el flujo magnético, aumentando la inductancia de la bobina. Al

duplicar la longitud de una bobina conservando el mismo número de vueltas, el valor de la

inductancia disminuye a la mitad. Por lo tanto, la inductancia es inversamente

proporcional a la longitud de la bobina.

Es usual que las espiras de una bobina se enrollen alrededor de núcleos de material

ferromagnético porque esto hace que la densidad del flujo magnético dentro de la bobina

sea muchísimo mayor que si el núcleo fuera aire (Figura B.5). La mayor densidad de flujo

permite un aumento en la inductancia de la estructura.

Otra forma de aumentar la inductancia de una bobina se relaciona con el número de

capas. La figura B.6 muestra tres inductores con diferente números de capas. La bobina A)

tiene una inductancia pequeña en comparación con las otras dos debido a que tiene una

sola capa. La bobina B) tiene una inductancia mayor que la A) debido a que sus dos capas

permiten que el flujo de cada vuelta interactúe con un número mayor de espiras vecinas.

Finalmente, una bobina como la de la figura C) tendrá una inductancia mayor, pues tiene

tres capas (que aumentan la interacción de los diversos campos magnéticos) y un núcleo

de ferrita (que aumenta la inductancia como ya se explicó anteriormente).

La fórmula para calcular el valor de la inductancia de una bobina similar a las presentadas

en la figura 2 es:

L =

Donde

L = inductancia

µr = permeabilidad magnética del núcleo de la bobina

µ0 = permeabilidad magnética del vacío

N = número de vueltas de la bobina

A = área de una vuelta

l = longitud total de la bobina

Para el caso de un inductor con núcleo de ferrita, el valor de µr es igual a 1000, mientras

que para un inductor con núcleo de aire el valor de este término es 1. En la figura B.7 se

muestran tres tipos de bobinas: sin núcleo, con núcleo y con núcleo toroidal.

Para aplicaciones de baja frecuencia, se emplean inductores con altos valores de

inductancia (mayores a 5 H). Para el núcleo del inductor se emplea hierro o acero al silicio

laminado. Para aplicaciones de alta frecuencia se emplean inductores mucho más

pequeños (del orden de mH y µH) y los materiales que se utilizan para el núcleo son

pastillas de hierro en polvo y barras de ferrita.

APLICACIÓN EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA

Electroimanes: El Electroimán constituye un uso directo del concepto de las

bobinas. Un electroimán es un tipo particular de imán en el que el campo

magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo

el campo en cuanto cesa dicha corriente.

Transformadores: Un transformador es una máquina estática de corriente

alterna, que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la

intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un

transformador ideal. Está constituido por dos bobinas de material conductor,

devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas

entre sí eléctricamente.

Motores eléctricos/ Generadores eléctricos: Los generadores transforman energía

mecánica en energía eléctrica, y los motores transforman energía eléctrica en

energía mecánica.

Filtros: En las fuentes de alimentación se usan bobinas para filtrar componentes de

corriente alterna, de manera que se obtiene solamente corriente continua en la

salida.

Bobinas de ignición en motores de Combustión: Estas son formadas por dos

bobinas, su función es muy similar al de un transformador. Es el elemento

encargado de generar la alta tensión con la cual se va a alimentar a la bujías en los

motores de combustión.

Otras aplicaciones tiene una bobina

Una de las aplicaciones más comunes de las bobinas y que forma parte de nuestra vida

diaria es la bobina que se encuentra en nuestros autos y forma parte del sistema de

ignición.

En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que

acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro

En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de

corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida

La operación de las bobinas se basa en un principio de la teoría electromagnética, según el

cual, cuando circula una corriente a través de un alambre, este produce a su alrededor un

campo magnético.

Las líneas de fuerza que representan el campo magnético son perpendiculares a la

dirección del flujo de la corriente. Si doblamos en algún punto el alambre para formar un

bucle o espira, el campo magnético en esa parte del alambre se concentra dentro de la

espira puesto que todas las líneas de fuerza apuntan en la misma dirección y convergen

hacia el centro.

Por lo tanto, si continuamos agregando espiras, formando una bobina propiamente dicha,

los campos magnéticos creados por cada una se reforzaran mutuamente, configurando así

un campo de mayor intensidad en el interior del sistema, El conjunto se comporta

entonces como un electroimán.

El campo magnético creado por una bobina de núcleo de aire como la anterior puede ser

intensificado aumentando la corriente aplicada o llenando el espacio vacío dentro de la

misma con un núcleo de material magnético, que concentre mejor las líneas de fuerza.

Otra es construyendo la bobina en múltiples capas, es decir realizando un nuevo

devanado encima del primer arrollamiento, uno encima del segundo, y así sucesivamente