INGENIERÍA ELECTRICA

CONDENSADOR , CONTINUACIÓN

Análisis de circuito de Laplace (dominio s) [ editar ]

Cuando se utiliza la transformada de Laplace en el análisis de circuitos, la impedancia de un condensador ideal sin carga inicial se representa en el dominio s mediante:

$${\ displaystyle Z (s) = {\ frac {1} {sC}}}

dónde

• C es la capacitancia, y
• s es la frecuencia compleja.

Análisis de circuitos [ editar ]

Ver también: Circuitos en serie y en paralelo.

Para condensadores en paralelo

Varios condensadores en paralelo

Ilustración de la conexión paralela de dos condensadores.

Los condensadores en una configuración en paralelo tienen cada uno el mismo voltaje aplicado. Sus capacidades se suman. El cargo se reparte entre ellos por tamaño. Usando el diagrama esquemático para visualizar placas paralelas, es evidente que cada condensador contribuye a la superficie total.

$${\ displaystyle C _ {\ mathrm {eq}} = \ sum _ {i} C_ {i} = C_ {1} + C_ {2} + \ cdots + C_ {n}}

Para condensadores en serie

Varios condensadores en serie

Ilustración de la conexión en serie de dos condensadores.

Conectado en serie, el diagrama esquemático revela que la distancia de separación, no el área de la placa, se suma. Los condensadores almacenan cada uno una acumulación de carga instantánea igual a la de cualquier otro condensador de la serie. La diferencia de voltaje total de extremo a extremo se distribuye a cada capacitor de acuerdo con el inverso de su capacitancia. Toda la serie actúa como un condensador más pequeño que cualquiera de sus componentes.

$${\ displaystyle {\ frac {1} {C _ {\ mathrm {eq}}}} = \ sum _ {i} {\ frac {1} {C_ {i}}} = {\ frac {1} {C_ { 1}}} + {\ frac {1} {C_ {2}}} + \ cdots + {\ frac {1} {C_ {n}}}}

Los condensadores se combinan en serie para lograr un voltaje de trabajo más alto, por ejemplo, para suavizar una fuente de alimentación de alto voltaje. Las clasificaciones de voltaje, que se basan en la separación de placas, se suman, si la capacitancia y las corrientes de fuga para cada capacitor son idénticas. En tal aplicación, en ocasiones, las cadenas en serie se conectan en paralelo, formando una matriz. El objetivo es maximizar el almacenamiento de energía de la red sin sobrecargar ningún condensador. Para el almacenamiento de alta energía con condensadores en serie, se deben aplicar algunas consideraciones de seguridad para garantizar que un condensador falle y la corriente de fuga no aplique demasiado voltaje a los otros condensadores en serie.

La conexión en serie también se usa a veces para adaptar condensadores electrolíticos polarizados para uso bipolar de CA. Vea el diseño del condensador electrolítico # para polarización inversa .

Distribución de voltaje en redes paralelas a series.

Para modelar la distribución de voltajes de un solo condensador cargado $${\ displaystyle \ left (A \ right)} conectado en paralelo a una cadena de condensadores en serie $${\ displaystyle \ left (B _ {\ text {n}} \ right)} :

{\ displaystyle {\ begin {alineado} (voltios) A _ {\ mathrm {eq}} & = A \ left (1 - {\ frac {1} {n + 1}} \ right) \\ (volts) B_ { \ text {1..n}} & = {\ frac {A} {n}} \ left (1 - {\ frac {1} {n + 1}} \ right) \\ AB & = 0 \ end {alineado }}}

Nota: Esto solo es correcto si todos los valores de capacitancia son iguales.

El poder transferido en este arreglo es:

$${\ displaystyle P = {\ frac {1} {R}} \ cdot {\ frac {1} {n + 1}} A _ {\ text {volts}} \ left (A _ {\ text {farads}} + B_ {\ text {farads}} \ right)}

Comportamiento no ideal [ editar ]

Los condensadores reales se desvían de la ecuación del condensador ideal de varias maneras. Algunos de estos, como la corriente de fuga y los efectos parásitos, son lineales, o pueden analizarse como casi lineales, y pueden tratarse agregando componentes virtuales al circuito equivalente de un condensador ideal. Los métodos habituales de análisis de red se pueden aplicar. ^[32]En otros casos, como con el voltaje de ruptura, el efecto es no lineal y el análisis de red ordinario (normal, por ejemplo, lineal) no se puede utilizar, el efecto debe tratarse por separado. Todavía hay otro grupo, que puede ser lineal pero invalidar la suposición en el análisis de que la capacitancia es una constante. Tal ejemplo es la dependencia de la temperatura. Finalmente, los efectos parásitos combinados tales como inductancia inherente, resistencia o pérdidas dieléctricas pueden exhibir un comportamiento no uniforme a frecuencias variables de operación.

Tensión de ruptura [ editar ]

Artículo principal: voltaje de ruptura

Por encima de un campo eléctrico particular, conocido como la fuerza dieléctrica E _ds , el dieléctrico en un condensador se vuelve conductivo. El voltaje al que ocurre esto se llama voltaje de ruptura del dispositivo, y está dado por el producto de la resistencia dieléctrica y la separación entre los conductores, ^[33]

$${\ displaystyle V _ {\ text {bd}} = E _ {\ text {ds}} d}

La energía máxima que se puede almacenar de forma segura en un condensador está limitada por el voltaje de ruptura. Debido a la escala de la capacitancia y el voltaje de ruptura con espesor dieléctrico, todos los condensadores hechos con un dieléctrico particular tienen una densidad de energía máxima aproximadamente igual , en la medida en que el dieléctrico domina su volumen. ^[34]

Para condensadores dieléctricos de aire, la intensidad del campo de ruptura es del orden de 2–5 MV / m (o kV / mm); para mica el desglose es de 100–300 MV / m; para petróleo, 15–25 MV / m; puede ser mucho menos cuando se usan otros materiales para el dieléctrico. ^[35] El dieléctrico se usa en capas muy delgadas, por lo que el voltaje de ruptura absoluto de los condensadores es limitado. Las clasificaciones típicas para condensadores utilizados para aplicaciones de electrónica general varían de unos pocos voltios a 1 kV. A medida que aumenta el voltaje, el dieléctrico debe ser más grueso, lo que hace que los capacitores de alto voltaje sean más grandes por capacitancia que aquellos clasificados para voltajes más bajos.

El voltaje de ruptura se ve gravemente afectado por factores como la geometría de las partes conductoras del condensador; Los bordes o puntos afilados aumentan la intensidad del campo eléctrico en ese punto y pueden conducir a una falla local. Una vez que esto comienza a suceder, el colapso rastrea rápidamente a través del dieléctrico hasta que alcanza la placa opuesta, dejando atrás el carbono y causando un corto circuito (o una resistencia relativamente baja). Los resultados pueden ser explosivos, ya que el corto en el condensador extrae corriente de los circuitos circundantes y disipa la energía. ^[36] Sin embargo, en condensadores con dieléctricos particulares ^[37] [38]y los cortos electrodos metálicos delgados no se forman después de la ruptura. Ocurre porque un metal se derrite o se evapora en una vecindad de ruptura, aislándolo del resto del capacitor. ^[39] [40]

La ruta de descomposición habitual es que la intensidad del campo se vuelve lo suficientemente grande como para extraer electrones en el dieléctrico de sus átomos, lo que provoca la conducción. Son posibles otros escenarios, como las impurezas en el dieléctrico y, si el dieléctrico es de naturaleza cristalina, las imperfecciones en la estructura cristalina pueden provocar una ruptura de avalancha como se ve en los dispositivos semiconductores. El voltaje de ruptura también se ve afectado por la presión, la humedad y la temperatura. ^[41]

Circuito equivalente [ editar ]

Dos modelos de circuito diferentes de un condensador real.

Un condensador ideal solo almacena y libera energía eléctrica, sin disipar nada. En realidad, todos los condensadores tienen imperfecciones dentro del material del condensador que crean resistencia. Esto se especifica como la resistencia en serie equivalente o ESR de un componente. Esto agrega un componente real a la impedancia:

$${\ displaystyle Z _ {\ text {C}} = Z + R _ {\ text {ESR}} = {\ frac {1} {j \ omega C}} + R _ {\ text {ESR}}}

A medida que la frecuencia se acerca al infinito, la impedancia capacitiva (o reactancia) se acerca a cero y la ESR se vuelve significativa. A medida que la reactancia se vuelve insignificante, la disipación de potencia se aproxima a P _RMS = V _RMS ² / R _ESR .

De manera similar a ESR, los cables del capacitor agregan inductancia en serie equivalente o ESL al componente. Esto suele ser significativo solo a frecuencias relativamente altas. Como la reactancia inductiva es positiva y aumenta con la frecuencia, la capacitancia cancela por encima de cierta frecuencia. La ingeniería de alta frecuencia implica tener en cuenta la inductancia de todas las conexiones y componentes.

Si los conductores están separados por un material con una conductividad pequeña en lugar de un dieléctrico perfecto, entonces una pequeña corriente de fuga fluye directamente entre ellos. Por lo tanto, el condensador tiene una resistencia paralela finita ^[42] y se descarga lentamente con el tiempo (el tiempo puede variar mucho según el material y la calidad del condensador).

Factor Q [ editar ]

El factor de calidad (o Q ) de un condensador es la relación entre su reactancia y su resistencia a una frecuencia dada, y es una medida de su eficiencia. Cuanto mayor sea el factor Q del condensador, más se acerca al comportamiento de un condensador ideal.

El factor Q de un condensador se puede encontrar a través de la siguiente fórmula:

$${\ displaystyle Q = {\ frac {X_ {C}} {R}} = {\ frac {1} {\ omega CR}}}

dónde $${\ displaystyle \ omega}es la frecuencia angular ,$${\ displaystyle C} es la capacitancia $${\ displaystyle X_ {C}}es la reactancia capacitiva , y$${\ displaystyle R} es la resistencia en serie equivalente (ESR) del condensador.

Corriente de ondulación [ editar ]

La corriente de ondulación es el componente de CA de una fuente aplicada (a menudo una fuente de alimentación de modo conmutado ) cuya frecuencia puede ser constante o variable. La corriente de ondulación hace que se genere calor dentro del condensador debido a las pérdidas dieléctricas causadas por la intensidad de campo cambiante junto con el flujo de corriente a través de las líneas de suministro ligeramente resistivas o el electrolito en el condensador. La resistencia en serie equivalente (ESR) es la cantidad de resistencia en serie interna que se agregaría a un capacitor perfecto para modelar esto.

Algunos tipos de condensadores , principalmente condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio , así como algunos condensadores de película, tienen un valor nominal especificado para la corriente de ondulación máxima.

• Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso sólido están limitados por la corriente de ondulación y generalmente tienen las clasificaciones de ESR más altas en la familia de condensadores. Exceder sus límites de ondulación puede provocar cortocircuitos y quemaduras.
• Los condensadores electrolíticos de aluminio, el tipo más común de electrolíticos, sufren un acortamiento de la esperanza de vida a mayores corrientes de ondulación. Si la corriente de ondulación excede el valor nominal del condensador, tiende a provocar una falla explosiva.
• Los condensadores de cerámica generalmente no tienen limitación de corriente de ondulación y tienen algunas de las clasificaciones de ESR más bajas.
• Los condensadores de película tienen clasificaciones ESR muy bajas, pero exceder la corriente de ondulación nominal puede causar fallas de degradación.

Inestabilidad de capacitancia [ editar ]

La capacitancia de ciertos capacitores disminuye a medida que el componente envejece. En los condensadores cerámicos , esto es causado por la degradación del dieléctrico. El tipo de dieléctrico, las temperaturas ambientales de operación y almacenamiento son los factores de envejecimiento más importantes, mientras que el voltaje de operación generalmente tiene un efecto menor, es decir, el diseño habitual del condensador es minimizar el coeficiente de voltaje. El proceso de envejecimiento puede revertirse calentando el componente por encima del punto Curie . El envejecimiento es más rápido cerca del comienzo de la vida útil del componente, y el dispositivo se estabiliza con el tiempo. ^[43] Los condensadores electrolíticos envejecen a medida que el electrolito se evapora . A diferencia de los condensadores cerámicos, esto ocurre hacia el final de la vida útil del componente.

La dependencia de la temperatura de la capacitancia generalmente se expresa en partes por millón (ppm) por ° C. Por lo general, se puede tomar como una función ampliamente lineal, pero puede ser notablemente no lineal en los extremos de temperatura. El coeficiente de temperatura puede ser positivo o negativo, a veces incluso entre diferentes muestras del mismo tipo. En otras palabras, la dispersión en el rango de coeficientes de temperatura puede abarcar cero.

Los condensadores, especialmente los condensadores de cerámica, y los diseños más antiguos, como los condensadores de papel, pueden absorber las ondas de sonido y provocar un efecto microfónico . La vibración mueve las placas, haciendo que la capacitancia varíe, lo que a su vez induce corriente alterna. Algunos dieléctricos también generan piezoelectricidad . La interferencia resultante es especialmente problemática en las aplicaciones de audio, lo que puede causar retroalimentación o grabación no intencional. En el efecto microfónico inverso, el campo eléctrico variable entre las placas del condensador ejerce una fuerza física, moviéndolas como un altavoz. Esto puede generar un sonido audible, pero drena energía y tensiona el dieléctrico y el electrolito, si los hay.

Inversión de corriente y voltaje [ editar ]

La inversión actual ocurre cuando la corriente cambia de dirección. La inversión de voltaje es el cambio de polaridad en un circuito. La inversión se describe generalmente como el porcentaje del voltaje nominal máximo que invierte la polaridad. En los circuitos de CC, esto suele ser inferior al 100%, a menudo en el rango de 0 a 90%, mientras que los circuitos de CA experimentan una inversión del 100%.

En circuitos de CC y circuitos pulsados, la inversión de corriente y voltaje se ve afectada por la amortiguación del sistema. La inversión de voltaje se encuentra en los circuitos RLC que están subamortigados . La corriente y el voltaje invierten la dirección, formando un oscilador armónico entre la inductancia y la capacitancia. La corriente y el voltaje tienden a oscilar y pueden invertir la dirección varias veces, con cada pico más bajo que el anterior, hasta que el sistema alcanza un equilibrio. Esto a menudo se conoce como sonar . En comparación, críticamente amortiguado o sobreamortiguadoLos sistemas generalmente no experimentan una inversión de voltaje. La inversión también se encuentra en los circuitos de CA, donde la corriente máxima es igual en cada dirección.

Para una vida máxima, los condensadores generalmente necesitan poder manejar la cantidad máxima de inversión que puede experimentar un sistema. Un circuito de CA experimenta una inversión de voltaje del 100%, mientras que los circuitos de CC con amortiguación inferior experimentan menos del 100%. La inversión crea un exceso de campos eléctricos en el dieléctrico, provoca un calentamiento excesivo tanto del dieléctrico como de los conductores, y puede acortar drásticamente la vida útil del condensador. Las clasificaciones de inversión a menudo afectan las consideraciones de diseño para el capacitor, desde la elección de materiales dieléctricos y clasificaciones de voltaje hasta los tipos de conexiones internas utilizadas. ^[44]

Absorción dieléctrica [ editar ]

Los condensadores hechos con cualquier tipo de material dieléctrico muestran cierto nivel de " absorción dieléctrica " o "remojo". Al descargar un condensador y desconectarlo, después de un corto tiempo puede desarrollar un voltaje debido a histéresis en el dieléctrico. Este efecto es objetable en aplicaciones como muestras de precisión y circuitos de retención o circuitos de temporización. El nivel de absorción depende de muchos factores, desde las consideraciones de diseño hasta el tiempo de carga, ya que la absorción es un proceso dependiente del tiempo. Sin embargo, el factor principal es el tipo de material dieléctrico. Los condensadores como el electrolítico de tantalio o la película de polisulfona exhiben una absorción relativamente alta, mientras que el poliestireno o el teflónpermitir niveles muy pequeños de absorción. ^[45] En algunos condensadores donde existen voltajes y energías peligrosas, como en tubos de destello , televisores y desfibriladores , la absorción dieléctrica puede recargar el condensador a voltajes peligrosos después de que se haya cortocircuitado o descargado. Cualquier condensador que contenga más de 10 julios de energía generalmente se considera peligroso, mientras que 50 julios o más es potencialmente letal. Un condensador puede recuperar entre 0.01 y 20% de su carga original durante un período de varios minutos, permitiendo que un capacitor aparentemente seguro se vuelva sorprendentemente peligroso. ^{[46] [47] [48] [49] [50]}

Fuga [ editar ]

La fuga es equivalente a una resistencia en paralelo con el condensador. La exposición constante al calor puede causar ruptura dieléctrica y fugas excesivas, un problema que a menudo se observa en los circuitos de tubos de vacío más antiguos, particularmente donde se usaban papel aceitado y condensadores de aluminio. En muchos circuitos de tubos de vacío, los condensadores de acoplamiento entre etapas se utilizan para conducir una señal variable desde la placa de un tubo hasta el circuito de red de la siguiente etapa. Un condensador con fugas puede hacer que el voltaje del circuito de la red se eleve desde su configuración de polarización normal, causando una corriente excesiva o distorsión de la señal en el tubo aguas abajo. En los amplificadores de potencia, esto puede hacer que las placas se iluminen en rojo, o que las resistencias limitantes de corriente se sobrecalienten, incluso fallen. Consideraciones similares se aplican a los amplificadores de estado sólido (transistor) fabricados por componentes,

Falla electrolítica por desuso [ editar ]

Los condensadores electrolíticos de aluminio se acondicionan cuando se fabrican aplicando un voltaje suficiente para iniciar el estado químico interno adecuado. Este estado se mantiene mediante el uso regular del equipo. Si un sistema que utiliza condensadores electrolíticos no se utiliza durante un período prolongado, puede perder su acondicionamiento . A veces fallan con un cortocircuito la próxima vez que funcionan.

Tipos de condensadores [ editar ]

Artículo principal: Tipos de condensador

Los condensadores prácticos están disponibles comercialmente en muchas formas diferentes. El tipo de dieléctrico interno, la estructura de las placas y el embalaje del dispositivo afectan fuertemente las características del condensador y sus aplicaciones.

Los valores disponibles varían desde muy bajo (rango de picofaradios; aunque en principio son posibles valores arbitrariamente bajos, la capacitancia parásita (parásita) en cualquier circuito es el factor limitante) a unos supercondensadores de aproximadamente 5 kF .

Por encima de aproximadamente 1 microfaradio, los condensadores electrolíticos generalmente se usan debido a su pequeño tamaño y bajo costo en comparación con otros tipos, a menos que su estabilidad, vida y naturaleza polarizada relativamente pobres los hagan inadecuados. Los supercondensadores de muy alta capacidad utilizan un material de electrodo poroso a base de carbono.

Materiales dieléctricos [ editar ]

Materiales condensadores. De izquierda a derecha: cerámica multicapa, disco cerámico, película de poliéster multicapa, cerámica tubular, poliestireno, película de poliéster metalizada, electrolítico de aluminio. Las principales divisiones de escala están en centímetros.

La mayoría de los condensadores tienen un espaciador dieléctrico, que aumenta su capacidad en comparación con el aire o el vacío. Para maximizar la carga que puede soportar un condensador, el material dieléctrico debe tener la mayor permitividad posible, al mismo tiempo que tiene un voltaje de ruptura lo más alto posible. El dieléctrico también necesita tener la menor pérdida de frecuencia posible.

Sin embargo, los condensadores de bajo valor están disponibles con un vacío entre sus placas para permitir una operación de voltaje extremadamente alto y bajas pérdidas. Los condensadores variables con sus placas abiertas a la atmósfera se usaban comúnmente en los circuitos de sintonización de radio. Los diseños posteriores usan dieléctrico de lámina de polímero entre las placas móviles y estacionarias, sin un espacio de aire significativo entre las placas.

Hay varios dieléctricos sólidos disponibles, que incluyen papel , plástico , vidrio , mica y cerámica . ^[14]

El papel se utilizó ampliamente en condensadores más antiguos y ofrece un rendimiento de voltaje relativamente alto. Sin embargo, el papel absorbe humedad y ha sido reemplazado en gran medida por condensadores de película plástica .

La mayoría de las películas de plástico que se utilizan ahora ofrecen una mejor estabilidad y rendimiento de envejecimiento que los dieléctricos más antiguos, como el papel aceitado, lo que los hace útiles en los circuitos de temporizador, aunque pueden estar limitados a temperaturas y frecuencias de funcionamiento relativamente bajas , debido a las limitaciones del plástico. película utilizada Los condensadores grandes de película plástica se usan ampliamente en circuitos de supresión, circuitos de arranque de motores y circuitos de corrección de factor de potencia.

Los condensadores de cerámica son generalmente pequeños, baratos y útiles para aplicaciones de alta frecuencia, aunque su capacidad varía mucho con el voltaje y la temperatura y envejecen poco. También pueden sufrir el efecto piezoeléctrico. Los condensadores de cerámica se clasifican en términos generales como dieléctricos de clase 1 , que tienen una variación predecible de capacitancia con la temperatura o dieléctricos de clase 2 , que pueden funcionar a un voltaje más alto. Las cerámicas modernas multicapa suelen ser bastante pequeñas, pero algunos tipos tienen tolerancias de valor inherentemente amplias, problemas microfónicos y, por lo general, son físicamente frágiles.

Los condensadores de vidrio y mica son extremadamente confiables, estables y tolerantes a altas temperaturas y voltajes, pero son demasiado caros para la mayoría de las aplicaciones convencionales.

Los condensadores electrolíticos y los supercondensadores se utilizan para almacenar cantidades pequeñas y grandes de energía, respectivamente, los condensadores de cerámica a menudo se usan en resonadores , y la capacitancia parásita se produce en los circuitos donde la estructura simple conductor-aislador-conductor se forma involuntariamente por la configuración de la disposición del circuito. .

Tres condensadores electrolíticos de aluminio de capacidad variable.

Los condensadores electrolíticos usan una placa de aluminio o tantalio con una capa dieléctrica de óxido. El segundo electrodo es un electrolito líquido , conectado al circuito por otra placa de aluminio. Los condensadores electrolíticos ofrecen una capacitancia muy alta, pero sufren tolerancias deficientes, alta inestabilidad, pérdida gradual de capacitancia, especialmente cuando se someten a calor y alta corriente de fuga. Condensadores de baja calidadpuede tener fugas de electrolito, lo que es perjudicial para las placas de circuito impreso. La conductividad del electrolito cae a bajas temperaturas, lo que aumenta la resistencia en serie equivalente. Si bien se usa ampliamente para el acondicionamiento de la fuente de alimentación, las características pobres de alta frecuencia los hacen inapropiados para muchas aplicaciones. Los condensadores electrolíticos sufren una autodegradación si no se usan durante un período (alrededor de un año), y cuando se aplica la potencia total pueden cortocircuitar, dañar permanentemente el condensador y, por lo general, quemar un fusible o provocar la falla de los diodos rectificadores. Por ejemplo, en equipos más antiguos, esto puede causar arcos en los tubos rectificadores. Se pueden restaurar antes de usar aplicando gradualmente el voltaje de funcionamiento, a menudo realizado en tubos de vacío antiguosequipo durante un período de treinta minutos mediante el uso de un transformador variable para suministrar alimentación de CA. El uso de esta técnica puede ser menos satisfactorio para algunos equipos de estado sólido, que pueden dañarse por la operación por debajo de su rango de potencia normal, lo que requiere que la fuente de alimentación se aísle primero de los circuitos de consumo. Tales soluciones pueden no ser aplicables a las fuentes de alimentación modernas de alta frecuencia, ya que producen un voltaje de salida completo incluso con una entrada reducida. ^{[ cita requerida ]}

Los condensadores de tantalio ofrecen mejores características de frecuencia y temperatura que el aluminio, pero mayor absorción dieléctrica y fugas. ^[51]

Los condensadores de polímeros (OS-CON, OC-CON, KO, AO) utilizan polímeros conductores sólidos (o semiconductores orgánicos polimerizados) como electrolitos y ofrecen una vida útil más larga y una ESR másbajaa un costo mayor que los condensadores electrolíticos estándar.

Un condensador de alimentación es un componente que, aunque no sirve como su uso principal, tiene capacitancia y se utiliza para conducir señales a través de una lámina conductora.

Varios otros tipos de condensadores están disponibles para aplicaciones especializadas. Los supercondensadores almacenan grandes cantidades de energía. Los supercondensadores hechos de aerogel de carbono, nanotubos de carbono o materiales de electrodos altamente porosos, ofrecen una capacidad extremadamente alta (hasta 5 kF a partir de 2010 ) y se pueden usar en algunas aplicaciones en lugar de baterías recargables . Los condensadores de corriente alterna están diseñados específicamente para funcionar en circuitos de alimentación de CA de voltaje de línea (red). Se usan comúnmente en motores eléctricos.circuitos y a menudo están diseñados para manejar grandes corrientes, por lo que tienden a ser físicamente grandes. Por lo general, están empaquetados de manera resistente, a menudo en cajas de metal que pueden conectarse a tierra fácilmente. También están diseñados con voltajes de ruptura de corriente continua de al menos cinco veces el voltaje de CA máximo.

Condensadores dependientes de voltaje [ editar ]

La constante dieléctrica para varios dieléctricos muy útiles cambia en función del campo eléctrico aplicado, por ejemplo , materiales ferroeléctricos , por lo que la capacitancia para estos dispositivos es más compleja. Por ejemplo, al cargar dicho condensador, el aumento diferencial de voltaje con carga se rige por:

$${\ displaystyle \ dQ = C (V) \, dV}

donde la dependencia del voltaje de la capacitancia, C ( V ), sugiere que la capacitancia es una función de la intensidad del campo eléctrico, que en un dispositivo de placa paralela de área grande viene dada por ε = V / d . Este campo polariza el dieléctrico, cuya polarización, en el caso de un ferroeléctrico, es una función no lineal en forma de S del campo eléctrico, que, en el caso de un dispositivo de placa paralela de área grande, se traduce en una capacitancia que es una función no lineal de la tensión. ^[52] [53]

En correspondencia con la capacitancia dependiente del voltaje, para cargar el capacitor al voltaje V se encuentra una relación integral:

$${\ displaystyle Q = \ int _ {0} ^ {V} C (V) \, dV \}

que está de acuerdo con Q = CV sólo cuando C no depende de la tensión V .

Del mismo modo, la energía almacenada en el condensador ahora está dada por

$${\ displaystyle dW = Q \, dV = \ left [\ int _ {0} ^ {V} \ dV '\ C (V') \ right] \ dV \.}

Integrando:

$${\ displaystyle W = \ int _ {0} ^ {V} \ dV \ \ int _ {0} ^ {V} \ dV '\ C (V') = \ int _ {0} ^ {V} \ dV '\ \ int _ {V'} ^ {V} \ dV \ C (V ') = \ int _ {0} ^ {V} \ dV' \ left (V-V '\ right) C (V') \,}

donde se usa el intercambio del orden de integración .

La capacidad no lineal de una sonda de microscopio escaneada a lo largo de una superficie ferroeléctrica se usa para estudiar la estructura de dominio de los materiales ferroeléctricos. ^[54]

Otro ejemplo de capacitancia dependiente del voltaje ocurre en dispositivos semiconductores como los diodos semiconductores , donde la dependencia del voltaje se deriva no de un cambio en la constante dieléctrica sino en una dependencia del voltaje del espacio entre las cargas en los dos lados del capacitor. ^[55] Este efecto se explota intencionalmente en dispositivos similares a diodos conocidos como varicaps .

Condensadores dependientes de frecuencia [ editar ]

Si un condensador se acciona con un voltaje variable en el tiempo que cambia lo suficientemente rápido, a alguna frecuencia la polarización del dieléctrico no puede seguir el voltaje. Como ejemplo del origen de este mecanismo, los dipolos microscópicos internos que contribuyen a la constante dieléctrica no pueden moverse instantáneamente y, por lo tanto, a medida que aumenta la frecuencia de un voltaje alterno aplicado, la respuesta dipolar es limitada y la constante dieléctrica disminuye. Una constante dieléctrica cambiante con frecuencia se denomina dispersión dieléctrica y se rige por procesos de relajación dieléctrica , como la relajación de Debye . En condiciones transitorias, el campo de desplazamiento se puede expresar como (ver susceptibilidad eléctrica ):

$${\ displaystyle {\ boldsymbol {D (t)}} = \ varepsilon _ {0} \ int _ {- \ infty} ^ {t} \ \ varepsilon _ {r} (t-t ') {\ boldsymbol {E }} (t ') \ dt',}

indicando el retraso en respuesta por la dependencia del tiempo de ε _r , calculado en principio a partir de un análisis microscópico subyacente, por ejemplo, del comportamiento dipolar en el dieléctrico. Ver, por ejemplo, la función de respuesta lineal . ^[56] [57] La integral se extiende sobre toda la historia pasada hasta el presente. Una transformación de Fourier en el tiempo resulta en:

$${\ displaystyle {\ boldsymbol {D}} (\ omega) = \ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {r} (\ omega) {\ boldsymbol {E}} (\ omega) \,}

dónde ε _r ( ω ) es ahora una función compleja , con una parte imaginaria relacionada con la absorción de energía del campo por el medio. Ver permitividad . La capacitancia, que es proporcional a la constante dieléctrica, también exhibe este comportamiento de frecuencia. Fourier transforma la ley de Gauss con esta forma para el campo de desplazamiento:

$${\ displaystyle I (\ omega) = j \ omega Q (\ omega) = j \ omega \ oint _ {\ Sigma} {\ boldsymbol {D}} ({\ boldsymbol {r}}, \ \ omega) \ cdot d {\ boldsymbol {\ Sigma}} \}

$${\ displaystyle = \ left [G (\ omega) + j \ omega C (\ omega) \ right] V (\ omega) = {\ frac {V (\ omega)} {Z (\ omega)}} \, }

donde j es la unidad imaginaria , V ( ω ) es el componente de voltaje a la frecuencia angular ω , G ( ω ) es la parte real de la corriente, llamada conductancia , y C ( ω ) determina la parte imaginaria de la corriente y es La capacitancia . Z ( ω ) es la impedancia compleja.

Cuando un condensador de placa paralela se llena con un dieléctrico, la medición de las propiedades dieléctricas del medio se basa en la relación:

${\displaystyle \varepsilon _{r}(\omega )=\varepsilon '_{r}(\omega )-j\varepsilon ''_{r}(\omega )={\frac {1}{j\omega Z(\omega )C_{0}}}={\frac {C_{\text{cmplx}}(\omega )}{C_{0}}}\ ,}$

donde un solo primo denota la parte real y un doble primo la parte imaginaria, Z ( ω ) es la impedancia compleja con el presente dieléctrico, C _cmplx ( ω ) es la llamada capacitancia compleja con el presente dieléctrico, y C ₀ es la capacitancia sin el dieléctrico. ^[58] [59] (La medición "sin el dieléctrico" en principio significa la medición en el espacio libre , un objetivo inalcanzable en la medida en que incluso se predice que el vacío cuántico exhibe un comportamiento no ideal, como el dicroísmo . Para fines prácticos, cuando se tienen en cuenta los errores de medición, a menudo una medición en vacío terrestre, o simplemente un cálculo de C ₀ , es lo suficientemente precisa. ^[60] )

Usando este método de medición, la constante dieléctrica puede exhibir una resonancia a ciertas frecuencias correspondientes a las frecuencias de respuesta características (energías de excitación) de los contribuyentes a la constante dieléctrica. Estas resonancias son la base de varias técnicas experimentales para detectar defectos. El método de conductancia mide la absorción en función de la frecuencia. ^[61] Alternativamente, la respuesta de tiempo de la capacitancia se puede usar directamente, como en la espectroscopía transitoria de nivel profundo . ^[62]

Otro ejemplo de capacitancia dependiente de la frecuencia ocurre con condensadores MOS , donde la generación lenta de portadoras minoritarias significa que a altas frecuencias la capacitancia mide solo la respuesta portadora mayoritaria, mientras que a bajas frecuencias ambos tipos de portadora responden. ^[55] [63]

A frecuencias ópticas, en semiconductores, la constante dieléctrica exhibe una estructura relacionada con la estructura de banda del sólido. Los sofisticados métodos de medición de espectroscopía de modulación basados ​​en la modulación de la estructura cristalina por presión u otras tensiones y observando los cambios relacionados en la absorción o reflexión de la luz han avanzado nuestro conocimiento de estos materiales. ^[64]

Estilos [ editar ]

Paquetes de condensadores: cerámica SMD en la parte superior izquierda; SMD tantalio en la parte inferior izquierda; tantalio pasante en la parte superior derecha; orificio pasante electrolítico en la parte inferior derecha. Las principales divisiones de escala son cm.

La disposición de las placas y el dieléctrico tiene muchas variaciones en diferentes estilos según las clasificaciones deseadas del condensador. Para valores pequeños de capacitancia (microfaradios y menos), los discos cerámicos usan recubrimientos metálicos, con alambres de alambre unidos al recubrimiento. Se pueden obtener valores más grandes con múltiples pilas de placas y discos. Los condensadores de mayor valor generalmente usan una lámina de metal o una capa de película metálica depositada en la superficie de una película dieléctrica para hacer las placas, y una película dieléctrica de papel o plástico impregnado , estos se enrollan para ahorrar espacio. Para reducir la resistencia en serie y la inductancia para placas largas, las placas y el dieléctrico se escalonan de modo que la conexión se realice en el borde común de las placas enrolladas, no en los extremos de la lámina o las tiras de película metalizada que comprenden las placas.

El conjunto está encapsulado para evitar que la humedad ingrese al dieléctrico: los primeros equipos de radio usaban un tubo de cartón sellado con cera. Los condensadores dieléctricos modernos de papel o película se sumergen en un termoplástico duro. Los condensadores grandes para uso de alto voltaje pueden tener la forma de rollo comprimida para caber en una caja metálica rectangular, con terminales atornillados y bujes para las conexiones. El dieléctrico en condensadores más grandes a menudo está impregnado con un líquido para mejorar sus propiedades.

Varios conductores axiales condensadores electrolíticos de

Los condensadores pueden tener sus cables de conexión dispuestos en muchas configuraciones, por ejemplo, axial o radialmente. "Axial" significa que los cables están en un eje común, típicamente el eje del cuerpo cilíndrico del condensador; los cables se extienden desde los extremos opuestos. Los cables radiales rara vez se alinean a lo largo de los radios del círculo del cuerpo, por lo que el término es convencional. Los cables (hasta que se doblan) generalmente están en planos paralelos al del cuerpo plano del capacitor, y se extienden en la misma dirección; A menudo son paralelas a la fabricación.

Los condensadores de cerámica discoidal pequeños y baratos han existido desde la década de 1930 en adelante, y siguen siendo de uso generalizado. Después de la década de 1980, los paquetes de montaje en superficie para condensadores se han utilizado ampliamente. Estos paquetes son extremadamente pequeños y carecen de cables de conexión, lo que les permite soldarse directamente en la superficie de las placas de circuito impreso . Los componentes de montaje en superficie evitan los efectos no deseados de alta frecuencia debido a los cables y simplifican el ensamblaje automatizado, aunque el manejo manual se dificulta debido a su pequeño tamaño.

Los condensadores variables controlados mecánicamente permiten ajustar el espacio entre las placas, por ejemplo girando o deslizando un conjunto de placas móviles para alinearlas con un conjunto de placas estacionarias. Los condensadores variables de bajo costo comprimen capas alternadas de aluminio y plástico con un tornillo . El control eléctrico de la capacitancia se puede lograr con varactores (o varicaps), que son diodos semiconductores con polarización inversa cuyo ancho de región de agotamiento varía con el voltaje aplicado. Se utilizan en bucles de fase bloqueada , entre otras aplicaciones.