• Author / Uploaded
• Carlos V. Castro

Citation preview

qwertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzx cvbnmqwertyuiopasdfghjkl Resistor, Capacitor e Inductor zxcvbnmqwertyuiopasdfghj Circuitos C.A. y C.D. klzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasd fghjklzxcvbnmqwertyuiopa sdfghjklzxcvbnmqwertyuio pasdfghjklzxcvbnmqwertyu iopasdfghjklzxcvbnmqwert yuiopasdfghjklzxcvbnmqwe rtyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzx Vazquez Castro Carlos Arturo Grupo: 3CM2

Resistores, Capacitores e Inductores Resistores En la práctica no existen conductores perfectos, es decir que no opongan ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica. Si tomamos varios conductores de iguales dimensiones físicas pero fabricados con distintos materiales, tales como cobre, plata, hierro, nichrome, veríamos que si a estos conductores los conectamos a los bornes de una batería en forma individual y con un amperímetro en serie con cada uno de ellos, la intensidad de corriente circulante por cada conductor será distinta. Esta simple comprobación permite demostrar que todo material ofrece cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica y que esta resistencia depende del material utilizado. Esta propiedad de los materiales es llamada “Resistividad Eléctrica del Material”, La oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica se explica por la dificultad que representa para los electrones tener que sortear los átomos que encuentran a su paso cuando circulan por un material. La aplicación de una tensión entre los extremos de un material conductor provoca que los átomos cedan los electrones de valencia, lo que facilita la circulación de éstos a través del material (corriente electrónica). Tipos: Por su composición, podemos distinguir varios tipos de resistencias: Resistencias de hilo bobinado.- Fueron de los primeros tipos en fabricarse, y aún se utilizan cuando se requieren potencias algo elevadas de disipación. Están constituidas por un hilo conductor bobinado en forma de hélice o espiral (a modo de rosca de tornillo) sobre un sustrato cerámico. •

Las aleaciones empleadas son las que se dan en la tabla, y se procura la mayor independencia posible de la temperatura, es decir, que se mantenga el valor en ohmios independientemente de la temperatura.

Metal

resistividad relativa (Cu = 1)

Coef. Temperatura a (20° C)

Aluminio

1.63

+ 0.004

Cobre

1.00

+ 0.0039

Constantan

28.45

± 0.0000022

Karma

77.10

± 0.0000002

Manganina

26.20

± 0.0000002

Cromo-Níquel

65.00

± 0.0004

Plata

0.94

+ 0.0038

La resistencia de un conductor es proporcional a su longitud, a su resistividad específica (rho) e inversamente proporcional a la sección recta del mismo. Su expresión es:

•

Resistencias de carbón prensado.- Estas fueron también de las primeras en fabricarse en los albores de la electrónica. Están constituidas en su mayor parte por grafito en polvo, el cual se prensa hasta formar un tubo como el de la figura.

Las patas de conexión se implementaban con hilo enrollado en los extremos del tubo de grafito, y posteriormente se mejoró el sistema mediante un tubo hueco cerámico en el que se prensaba el grafito en el interior y finalmente se disponian unas bornas a presión con patillas de conexión. Las resistencias de este tipo son muy inestables con la temperatura, tienen unas tolerancias de fabricación muy elevadas, en el mejor de los casos se consigue un 10% de tolerancia, incluso su valor óhmico puede variar por el mero hecho de la soldadura, en el que se somete a elevadas temperaturas al componente. Además tienen ruido térmico también elevado, lo que las hace poco apropiadas para aplicaciones donde el ruido es un factor crítico, tales como amplificadores de micrófono, fono o donde exista mucha ganancia. •

Resistencias de película de carbón.- Este tipo es muy habitual hoy día, y es utilizado para valores de hasta 2 watios. Se utiliza un tubo cerámico como sustrato sobre el que se deposita una película de carbón

Para obtener una resistencia más elevada se practica una hendidura hasta el sustrato en forma de espiral, tal como muestra (b) con lo que se logra aumentar la longitud del camino eléctrico, lo que equivale a aumentar la longitud del elemento resistivo.

•

Resistencias de película de óxido metálico.- Son muy similares a las de película de carbón en cuanto a su modo de fabricación, pero son más parecidas, eléctricamente hablando a las de película metálica. Se hacen igual que las de película de carbón, pero sustituyendo el carbón por una fina capa de óxido metálico (estaño o latón). Estas resistencias son más caras que las de película metálica, y no son muy habituales. Se utilizan en aplicaciones militares (muy exigentes) o donde se requiera gran fiabilidad, porque la capa de óxido es muy resistente a daños mecánicos y a la corrosión en ambientes húmedos.

•

Resistencias de película metálica.- Este tipo de resistencia es el que mayoritariamente se fabrica hoy día, con unas características de ruido y estabilidad mejoradas con respecto a todas las anteriores. Tienen un coeficiente de temperatura muy pequeño, del orden de 50 ppm/°C (partes por millón y grado Centígrado). También soportan mejor el paso del tiempo, permaneciendo su valor en ohmios durante un mayor período de tiempo. Se fabrican este tipo de resistencias de hasta 2 watios de potencia, y con tolerancias del 1% como tipo estándar.

•

Resistencias de metal vidriado.- Son similares a las de película metálica, pero sustituyendo la película metálica por otra compuesta por vidrio con polvo metálico. Como principal característica cabe destacar su mejor comportamiento ante sobrecargas de corriente, que puede soportar mejor por su inercia térmica que le confiere el vidrio que contiene su composición. Como contrapartida, tiene un coeficiente térmico peor, del orden de 150 a 250 ppm/°C. Se dispone de potencias de hasta 3 watios. Se dispone de estas resistencias encapsuladas en chips tipo DIL (dual in line) o SIL (single in line).

•

Resistencias dependientes de la temperatura.- Aunque todas las resistencias, en mayor o menor grado, dependen de la temperatura, existen unos dispositivos específicos que se fabrican expresamente para ello, de modo que su valor en ohmios dependa "fuertemente" de la temperatura. Se les denomina termistores y como cabía esperar, poseen unos coeficientes de temperatura muy elevados, ya sean positivos o

negativos. Coeficientes negativos implican que la resistencia del elemento disminuye según sube la temperatura, y coeficientes positivos al contrario, aumentan su resistencia con el aumento de la temperatura. El silicio, un material semiconductor, posee un coeficiente de temperatura negativo. A mayor temperatura, menor resistencia. Esto ocasiona problemas, como el conocido efecto de "avalancha térmica" que sufren algunos dispositivos semiconductores cuando se eleva su temperatura lo suficiente, y que puede destruir el componente al aumentar su corriente hasta sobrepasar la corriente máxima que puede soportar. A los dispositivos con coeficiente de temperatura negativo se les denomina NTC (negative temperature coefficient). A los dispositivos con coeficiente de temperatura positivo se les denomina PTC (positive temperature coefficient). Una aplicación típica de un NTC es la protección de los filamentos de válvula, que son muy sensibles al "golpe" de encendido o turnon. Conectando un NTC en serie protege del golpe de encendido, puesto que cuando el NTC está a temperatura ambiente (frío, mayor resistencia) limita la corriente máxima y va aumentando la misma según aumenta la temperatura del NTC, que a su vez disminuye su resistencia hasta la resistencia de régimen a la que haya sido diseñado. Hay que elegir correctamente la corriente del dispositivo y la resistencia de régimen, así como la tensión que caerá en sus bornas para que el diseño funcione correctamente.

Ejemplos: Ejempl os: A - Determinar la resistencia de un conductor de aluminio cuyo diámetro es 0,5 mm. y su longitud de 68 metros.

1.

La sección transversal del

conductor es:2 D s=

2

3,1416 0,5 x

reemplazando por los valores2 dados s = mm

= 0,1963

4 s = 0,1963 mm2

2. El cálculo de la resistencia como ya se vio es: l R=

68

reemplazando por los valores dados R = 0,026 s

= 9 ohm (

Ω

)

0,1963 R

=9

conductor

ohm(Ω)

B Determinar la resistencia de un conductor de cobre que tiene las mismas dimensiones físicas que el planteado en A. 1. En el ejemplo A ya se averiguo la sección transversal del conductor; s = 0,1963 mm2 2. El cálculo de la resistencia será: l R=

68 luego

Ω = 6 ohm ( )

R = 0,0175

s

0,1963 R

conductor

= 6 ohm

( Ω)

Calculo de colores de las resistencias:

Codigo de colores en resistencias electricas.

Capacitores 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. El capacitor básico es un componente electrónico construido con dos placas paralelas conductoras separadas por un material aislante o dieléctrico. Los terminales se conectan a las placas. La construcción básica del capacitor en la figura.

Cuando el capacitor se conecta a una fuente de voltaje a través de un resistor, las placas se polarizan como muestra la figura 1b. Este proceso ocurre ya que al conectarse la fuente de voltaje se remueve un número de electrones de la placa A y un número igual se deposita en la placa B. Al perder electrones, la placa A se hace positiva y al ganar electrones la placa B se hace negativa. Durante este proceso de carga, los electrones fluyen sólo a través de los terminales y la fuente. No hay flujo de electrones a través del dieléctrico ya que es un aislante. El movimiento de electrones se detiene cuando el voltaje a través del capacitor es igual al voltaje a través de la fuente. Si la fuente se desconecta del capacitor, éste permanece cargado por cierto período de tiempo (dependiendo de las propiedades del capacitor) y puede considerarse como una batería temporera. La cantidad de carga que un capacitor puede almacenar a través de sus placas, por unidad de voltaje, es su capacitancia, C. En otras palabras, la capacitancia es una medida de la capacidad de almacenar carga que tiene un capacitor, Q/V

(3.1)

donde C es la capacitancia, Q es la carga y V es el voltaje. La unidad básica de capacitancia es el Faradio (F). Un Faradio es la cantidad de capacitancia cuando un Coulomb(C) de carga se almacena con un voltio entre las placas del componente. La mayoría de los capacitores utilizados en electrónica tienen valores de microfaradios (mF) y de picofaradios (pF). La cantidad de energía almacenada en el capacitor es proporcional a la capacitancia y al voltaje entre las placas.

donde C es la capacitancia en faradios (F), V es el voltaje en voltios (V) y W es la energía en Julios (J). Características Físicas del Capacitor La capacitancia depende del tamaño de las placas (A), de la separación entre éstas (d) y de las propiedades eléctricas del aislante o dieléctrico. La constante dieléctrica o permitividad relativa, e r, es una medida de

la capacidad del material para establecer un campo eléctrico. La constante dieléctrica del vacío es igual a 1 y la de aire está muy cerca a este valor. Otros materiales tienen constantes dieléctricas mayores. La capacitancia se mide en faradios (F) y está determinada por la siguiente relación: , donde 12

y e =8.85X100

F/m.

Limitaciones Los siguientes parámetros especifican limitaciones para el uso del capacitor y deben tomarse en cuenta dependiendo de la aplicación particular: Voltaje de Trabajo, Fortaleza Dieléctrica, Coeficiente de Temperatura y Filtración (“Leakage”). El voltaje de trabajo es el voltaje dc máximo que puede aplicarse al capacitor sin riesgo de que se dañe permanentemente. Este también se conoce como Voltaje de Rotura. El voltaje de trabajo está determinado por la fortaleza dieléctrica del material aislante utilizado para construir el capacitor. La fortaleza dieléctrica se mide en unidades de V/mil (1 mil = 0.001 in) y sus valores varían de acuerdo al material. Por ejemplo, la fortaleza dieléctrica de aire es 80 V/mil y la de vidrio es 2000 V/mil. El coeficiente de temperatura indica el cambio en capacitancia con temperatura. Los valores típicos son en partes por millón por grado centígrado. Por ejemplo, un coeficiente de –150 ppm/°C para un capacitor de 1mF implica que por cada incremento de 1 °C en temperatura, la capacitancia disminuye por 150pF. Debido a que no hay materiales aislantes perfectos, el dieléctrico deja conducir una pequeña cantidad de corriente y eventualmente la carga se filtra y se conoce como filtración. Algunos capacitores tienen filtraciones mayores que otros.

Tipos de Capacitores • El dieléctrico.- 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

Condensador electrolítico.- Se hacen formando un arrollamiento de película de aluminio, e inicialmente separadas por una capa de un material absorbente como tela o papel impregnado con una solución o gel, aunque modernamente se emplea óxido de aluminio o tántalo. El conjunto se introduce en un contenedor de aluminio, dando un aspecto de "bote".

electrolítico axial

electrolítico radial

Según la disposición de las patillas, existe la configuración axial y la radial. Los condensadores electrolíticos modernos se fabrican utilizando un electrolito dentro del propio condensador, y la acción de una tensión en bornas del condensador refuerza la capa dieléctrica de óxido, de modo que es imprescindible la correcta polarización del condensador. Si aplicamos una polarización errónea, el dieléctrico se destruye y las placas entran en contacto. Además, generalmente la polarización inversa origina generación de gases por electrolisis y pueden provocar una explosión. La ventaja de este tipo de condensadores es su tamaño reducido, por lo que se consiguen capacidades muy grandes. Esto es debido a la finísima capa dieléctrica. Al principio, se fabricaban estos condensadores sumergidos en un electrolito formado por agua y glicol, y quizás ácido bórico para incrementar la viscosidad y mejorar el autosellado del dieléctrico. Sin embargo, la corrosión era un problema, y modernamente se emplean electrolitos de tipo orgánico, tales como dimetil acetamida o metil-formamida. Recientemente se han desarrollado condensadores electrolíticos de "aluminio sólido" basados en electrolito de dióxido de manganeso. Son muy similares a los de tántalo, aunque mucho más baratos.

aluminio sólido Un gran inconveniente de los condensadores electrolíticos es su relativamente corta duración. Normalmente tienen un período de vida medio de 1000 - 5000 horas, y también se estropean aunque no se utilicen, aunque se alargue su período de vida. Es cuando decimos que un condensador está "seco" y hay que sustituirlo. Otro inconveniente es su gran margen de tolerancia; son normales tolerancias del 20% en este tipo de condensadores.

Habitualmente se denomina a este tipo de condensadores "polarizados", pero es un término impreciso. Existen condensadores electrolíticos no polarizados, empleados profusamente en crossovers de baja calidad, y cuyo aspecto es exactamente igual al de los polarizados, o sea, parecen un "bote", pero podemos conectarlos sin atender a ninguna polarización. Muchos autores tachan a este tipo de condensadores, incluso a los electrolíticos normales como no aconsejables para su utilización en circuitos de audio de calidad, por su distorsión y sus pérdidas, pero este es un tema que abordaremos en otro apartado. • 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. (MKT)

poliéster 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. • Condensadores 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. Condensadores 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.

Poliéste Policarbonat Polipropilen Poliéste Policarbonat vidri r Parilen Polipropilen Poliestiren Mica o o Teflón r o o o metálic o o metalizado metalizado MKT MKC MKP o DF% 0.1 0.1 DA% 0.3 0.5 Estabilidad MB MB Tolerancia 1-10 1-10 % medi caro Costo o

0.3-1 0.3-1 R 5-20 barato

0.3-1 0.3-1 R 5-20 barato

0.1-0.3 0.1-0.3 B 1-20 medio

0.1-0.3 0.1-0.3 B 1-20 medio

0.1