Condensadores

Condensadores

condensadoresUn  condensador es un componente pasivo cuya finalidad es la de acumular una carga determinada. Está constituido por dos placas separadas de un material aislante y especial, que se llama dieléctrico.

La unidad de medida es el faradio, pero como un condensador de un faradio es muy grande y nada usual en electrónica, usamos  submúltiplos, como el  milifaradio, microfaradio, picofaradio, etc.

Veremos un buen vídeo sobre los principios  del condensador obra de Eugene Khutoryansky y adaptada por nuestro alumno Pablo Moreno Gómez

Tenemos varios métodos para leer la capacidad, junto a la tolerancia y la tensión máxima de trabajo, según el tipo de condensador.

  1.  codigo-colores-condensadoresCondensadores con banda de colores. En este caso, se aplica el mismo criterio que para las resistencias ( tabla 2.7). En el caso de las tensiones, hay un criterio basado también en los colores ( no exacto ) de forma que , el 5º color indica en centenas la tensión máxima de trabajo, de forma que si el 5º color es negro, tenemos 100 voltios o amarillo 400 voltios.
  2.  Marcado alfanumérico. En este caso, la letra indica la tolerancia ( M del 20 %, K del 10 % y j del 5% ). Lleva la regla valor + Tolerancia + Tensión máxima. Hay que tener en cuenta que el valor que se da es siempre en picoF, excepto si lleva coma decimal y no lleva unidad, que se da en microfaradios , o bien, si lleva la unidad, que en ese caso, la letra de la unidad hace también de coma.
  3. leer condensador 101Código 101. Al igual que en las resistencias, los dos primeros indican valor y el 3º número los ceros que hay que poner.

En el caso de la figura izquierda, tenemos un condensador con letra j ( 5%) de tensión 2A ( por tabla se refiere a una tensión de 100 voltios y de valor 10 mas 4 ceros, o sea 100.000 pF, o 100 nF o bien 0.1 µF.

Actividades nº 1. Realizar los ejercicios de la página 38

Actividad 2. Realiza los ejercicios de la página 40

Como vimos en el tema de las resistencias, cuando se ponían en serie se sumaba una tras otra porque se ofrecía mayor dificultad a que pasen los electrones. En el caso de los condensadores, ocurre algo parecido pero a la inversa, o sea:

Si asociamos los condensadores en paralelo, lo que hacemos es aumentar la ” superficie efectiva para guardar la carga eléctrica ”  y por tanto, cuando tenemos asociación en paralelo, la capacidad total es la suma de cada capacidad.

Si embargo, a asociar los condensadores en serie, obtenemos la fórmula de las resistencias del paralelo, pero cambiando R por C, por tanto:

suma condensadores

Actividad 3. Calcular la capacidad de 5 condensadores en serie de 2, 3, 4, 5 y 6 milifaradios

Actividad 4. Si tenemos 101 condensadores en paralelo de 60 picofaradios, calcular la capacidad en nanofaradios del condensador equivalente

Actividad 5. Resolver los siguientes circuitos. En el segundo caso, simplificar el circuito, con la sustitución de los condensadores por su equivalente

circuito-condensador-2 circuito-condensador-1

Soluciones.

  •  1º Circuito. C(equi) = 7,93 μF
  •  2º  c(equi) = 5 μF

La capacidad de los condensadores depende de varios factores, como es la superficie de las placas, entre otros factores, sin embargo, la carga que alcanza un condensador ( que se mide en Culombios y se representa por la letra Q ) depende de la tensión que hay en las placas del condensador y del valor de la capacidad, o sea :diferencia tension

Ejemplo. Calcular la carga de un condensador de  20 mF si la tensión en las placas es de 10 voltios. Calcular cuanto se incrementa la carga si la tensión aumenta a 100 voltios.

En el primer caso, despejando la carga Q, tenemos que Q = V x C = 10 x 20 mF = 0,2 Culombios

En el segundo caso, al aumentar 10 veces la tensión, aumenta 10 veces la carga y , por tanto, la carga es 2 Culombios. Una vez que se entiende que la carga es la “cantidad de electrones que puede almacenar”,  veremos  cómo es el proceso de carga y descarga del condensador.

circuito-carga-condensadorPara cargar un condensador, se emplea una pila y una resistencia que limita el paso de electrones. De esa forma tenemos un circuito como el mostrado a la izquierda. En este caso hemos optado por poner una resistencia elevada de 1MΩ.

circuito-carga-condensadorCuando llenamos una garrafa de agua con un grifo, la velocidad a la que se llena es siempre la misma, por ejemplo, 10 litros cada minuto. En el caso del condensador, la cosa cambia dado que la carga que va almacenando genera un campo eléctrico que se opone a que más cargas entren. Por ello, la gráfica que muestra cómo evoluciona la carga con el tiempo responde a una curva exponencial del tipo:

grafica-carga-condensador

Todo este experimento de carga lo hemos realizado con el programa cocodile V3.5. Si quieres la puedes descargar aquí

La representación de la tensión en las placas del condensador respecto al tiempo viene dada por la fórmula matemática:

formula carga condensador

Donde:

  • Vc es la tensión del condensador para cada instante temporal t
  • Vf es la tensión máxima que puede alcanzar. En este caso, la tensión de la pila
  • RC es el producto de la resistencia de carga por el valor de C

Para la descarga, la fórmula que representa el valor de la tensión en las placas del condensador respecto al tiempo es

carga condensador

Donde:

  • Vc es la tensión del condensador para cada instante temporal t
  • Vi es la tensión que tiene el condensador en el instante cero. Si estaba cargado al máximo, será la tensión de la pila.
  • RC es el producto de la resistencia de carga por el valor de C
  • Actividad 6.  Calcular la tensión que alcanza un condensador de 8 μF  a los 20 segundos si está alimentado por una pila de 10 voltios y una resistencia de carga de 1 MΩ.

Actividad 7 . Monta un circuito RC con los valores de R = 990 KΩ y una capacidad de 10 Microfaradios. Obtén la gráfica de carga del condensador. El pulsador que ponemos en paralelo con el condensador es para provocar la descarga del mismo y tener la curva de carga desde el valor 0

Si vemos la gráfica, tenemos la sensación de que no se carga al máximo nunca. Esto es verdad y, por ello, decimos que el condensador  se ha  cargado cuando ha pasado un tiempo igual a 5 veces el valor de R por C, esto es:tiempo-carga-condensador

Para el ejercicio anterior, tenemos que los 5 Tao es igual a

tiempo-carga-condensador 2

Si disminuimos la resistencia, tenemos que el  tiempo de  carga disminuye al igual que si disminuye la capacidad del condensador

Actividad 8. En el circuito anterior, añadir los pulsadores o interruptores necesarios para obtener un circuito que cargue y descarge el condensador. Poner la pinza de prueba en el condensador para obtener la curva de carga y descarga seguidas

Actividad 9. Un sistema pirotécnico necesita activarse con una tensión de 20 voltios para que salten los fuegos artificiales. Tenemos una pila de esa tensión y un condensador de 400 microfaradios. Calcular la resistencia de carga que tengo que poner para que el sistema se active a los 20 segundos

Actividad 10. Tenemos en el taller condensadores de 20 mF y  solo un condensador de de 5 mF. Para un sistema programador, requerimos un condensador de 15 mF. Qué solución podemos dar ? 

circuito-carga-descarga-condensadorPRÁCTICA 2. En el circuito de la figura , partimos del condensador totalmente vacío y cerramos el interruptor . Calcular:

  Parte teórica.

  1.  Calcular el tiempo que tarda el condensador en cargarse
  2. Calcular el tiempo que tarda en descargarse
  3.  ¿ Qué tensión alcanza a los 10 segundos, momento en el cual, se pulsa el conmutador para que el condensador pase a descarga?.
  4. ¿  Qué tensión alcanzará el condensador a los 100 segundos desde el inicio del experimento del punto 3 ?

Parte simulador.  Utilizando nuestro programa de simulación ( proteus o cocrodile ) , hacer los puntos 1, 2, 3 y 4 , utilizando para ello las gráficas de carga y descarga. Una vez que se obtengan cada una de ellas, obtener en las mismas, los tiempos que se piden.

Podemos poner un interruptor en paralelo con el condensador para que la descarga se haga rápida.

 Los valores de RC son tales que la carga y descarga llevan mucho tiempo. Qué tenemos que hacer para que se reduzcan 100 veces ?. Modificar el circuito y hacer pantallazo de la carga y descarga

PRÁCTICA 3.  Adelantando acontecimientos. 

Hemos visto que el condensador está basado en dos placas, separadas, donde no está permitido el paso de cargas eléctricas entre ellas. Pero, aparte de cargar y descargar un Condensador, para qué vale en un circuito si no deja pasar las cargas.

La respuesta es. Las cargas no, pero hace que por el cable puedan ir y venir, o sea, si le metemos una señal alterna, donde hay ciclos positivos y negativos, el condensador tenderá a cargarse y descargarse de forma continua. Este factor va a depender de la frecuencia del generador y de la capacidad del mismo. Sin entrar en detalles, la práctica consiste en ver cómo varia la luminosidad de una bombilla cuando cambiamos la frecuencia del generador y la capacidad del mismo.

Montar el circuito que se muestra en la imagen, donde R es una resistencia de 5 Ohmios, L1 y L2 son dos bombillas y C es el condensador, cuyo valor hay que variar. El generador tiene una tensión de 7 voltios con frecuencia variable. L1 se tiene como testigo de luminosidad.

  Seleccionar un valor del condensador, empezando por 1 nF,  de forma que la bombilla L2 ilumine igual que la L1. Una vez seleccionado el valor, ajustar la frecuencia arriba y abajo para comprobar como se comporta la luminosidad de L2

Hacer lo mismo con el condensador. Una vez encontrado una frecuencia adecuada, varia C arriba y abajo para comprobar como varia la luminosidad

Hacer  4 pantallazos  para cada una de las situaciones

Sacar las conclusiones de cómo se comporta el condensador cuando se varia la frecuencia y la capacidad del mismo