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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Unidad

FORMACI‡N PROFESIONAL A DISTANCIA

CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

3

Capacidad Eléctrica

MÓDULO Electrotecnia

Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: ELECTROTECNIA Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Romualdo Pérez Fernández

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Sofía Ardura Gancedo Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: 84-690-1473-0 Depósito Legal: AS-0593-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.

Unidad

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Capacidad Eléctrica

Sumario general Objetivos ............................................................................................

4

Conocimientos .....................................................................................

5

Introducción.........................................................................................

6

Contenidos generales............................................................................

6

El condensador.....................................................................................

7

Carga y descarga de un condensador .................................................... 14 Asociación de condensadores ............................................................... 22 Tipos de condensadores........................................................................ 25 Resumen de contenidos ........................................................................ 29 Autoevaluación .................................................................................... 30 Respuestas de actividades ..................................................................... 31 Respuestas de autoevaluación............................................................... 34

3




Módulo: Electrotecnia

Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

 Comprender el concepto de capacidad eléctrica.

4

 Identificar las partes que componen un condensador.  Describir los procesos de carga y descarga de un condensador.  Advertir la peligrosidad de los condensadores cargados.  Comprender el papel de los condensadores en circuitos de CC.  Entender las limitaciones de los dieléctricos.  Conocer la funcionalidad de los condensadores.




Unidad

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Capacidad Eléctrica

Conocimientos que deberías adquirir CONCEPTOSS • Capacidad de un condensador. • Rigidez dieléctrica. • Régimen transitorio y permanente.

PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS • Determinar la carga y la tensión de un condensador en régimen permanente en un circuito sencillo de corriente continua. • Asociar condensadores en serie y paralelo y determinar la capacidad equivalente. • Identificar si un condensador está o no cargado.

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Módulo: Electrotecnia




Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Introducción

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En unidades anteriores se han estudiado las magnitudes fundamentales de los circuitos eléctricos (tensión, intensidad, energía, etc.) y la resolución de circuitos eléctricos en CC. Sin embargo, hasta ahora el número de ≈ingredientes∆ de estos circuitos se reducía a baterías o generadores y resistencias. En esta unidad didáctica se detallará el concepto, la estructura física y las funcionalidades de los condensadores, componentes que aunque resultan poco vistosos son imprescindibles en todo circuito eléctrico. Como verás en esta unidad existen diversas aplicaciones en las que se pueden emplear los condensadores, y en tu vida profesional, como técnico de instalaciones frigoríficas, te los encontrarás muy a menudo, formando parte del circuito de regulación de un ciclo frigorífico, como componente de una fuente de alimentación, etc.

Contenidos generales A lo largo de esta unidad estudiarás:  Cómo está constituido un condensador y cuál es su misión dentro de un circuito

eléctrico.  La forma en que se produce la carga y la descarga de los condensadores, teniendo

en cuenta que existe un límite de carga máximo, y las precauciones que hay que tener en cuenta ante la descarga de un condensador.  Los tipos de conexión de los condensadores en un circuito y la posibilidad de ob-

tener un condensador equivalente.  Los tipos de condensadores más habituales y las aplicaciones típicas de estos

componentes.

Unidad

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Capacidad Eléctrica

El condensador En Electrostática estudiamos el comportamiento de una carga eléctrica, hemos visto cómo aparece una fuerza eléctrica, qué constituye un campo eléctrico, cuándo interactúan entre sí dos cargas, y también se ha estudiado el comportamiento de diferentes materiales ante el paso de una corriente eléctrica, clasificándolos en cuatro tipos: conductores, aislantes, semiconductores y superconductores. Los aislantes son materiales que no dejan pasar la corriente eléctrica a través de ellos, y esta propiedad es la que se aprovecha para el diseño y fabricación de los condensadores, ya que, como veremos a continuación, el hecho de no permitir la circulación de los electrones hace que éstos se queden almacenados, que es lo que en realidad se pretende con estos componentes.

Un condensador es un elemento que forma parte de un circuito eléctrico y que es capaz de almacenar carga y energía eléctrica, presentando entre sus bornes de conexión una diferencia de potencial o tensión. En la siguiente figura podemos ver cómo son físicamente estos elementos.

Fig. 1: Condensadores eléctricos.

A continuación veremos cuál es la estructura básica de estos elementos y cómo funcionan al estar conectados en un circuito eléctrico.

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Capacidad de un condensador La característica principal de un condensador es su capacidad, que se define como la cantidad de carga que puede almacenar por voltio de tensión. Por tanto, podemos representarla con la siguiente expresión:

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C=

8

Q V q ⋅ q'

Donde:  Q = carga almacenada en culombios [C].  V = tensión entre bornes en voltios [V].  C = capacidad del condensador en faradios [F].

Como vemos en la expresión anterior, la unidad en la que se mide la capacidad de un condensador es el faradio [F], que equivale al cociente entre un culombio y un voltio.

[F] =

[C] [V]

Un faradio (1 F) es la capacidad que adquiere un condensador que, al ser sometidas sus placas a una diferencia de potencial de un voltio (1 V), éstas adquieren una carga eléctrica de un culombio (1 C).

El faradio (F) es una unidad demasiado grande para los condensadores comerciales. Por eso, en la práctica, se utilizan los siguientes submúltiplos.

SUBM„LTIPLO

EQUIVALENCIA

Milifaradio [mF]

10-3 F

Microfaradio [±F]

10-6 F

Nanofaradio [nF]

10-9 F

Picofaradio [pF]

10-12 F

Tabla 1: Submúltiplos del faradio.

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Capacidad Eléctrica

Ejemplo En la siguiente figura se está realizando la medición de la capacidad de un condensador utilizado para el arranque de un motor monofásico. Como puedes ver, los bornes del condensador se conectan al instrumento de medición y éste nos indica el valor de la capacidad en µF (en este caso 4,34 µF), en función de la escala de capacidad que previamente debemos haber seleccionado.

CAPACIDAD EN µF

CONDENSADOR

Para aclarar el concepto de capacidad podemos establecer un símil entre un depósito de agua y un condensador, identificando magnitudes de la siguiente forma: agua almacenada ⇔ carga almacenada altura de agua ⇔ tensión eléctrica Supongamos dos depósitos 1 y 2 de igual altura donde la base del primero, y por tanto su volumen, es mayor que en el segundo (fig. 2). Si ambos depósitos se llenan de agua al mismo nivel, es obvio que el 1 almacena más agua porque tiene más capacidad. En el caso de dos condensadores ocurre lo mismo, es decir, si están cargados a la misma tensión, almacenará más carga el de mayor capacidad.

Depósitos llenados al mismo nivel

Depósito 1

Depósito 2

Fig. 2: Analogía depósito-condensador.

9

ctividad

1

Un condensador está cargado a 40 V y almacena una carga de 200 ±C. Determina su capacidad en faradios y microfaradios.

Dos condensadores con capacidades de 10 y 20 nF se encuentran cargados a 100 y 50 V, respectivamente. ∂Cuál es la relación que existe entre la carga que almacenan?

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a

10

2

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ctividad

 

a

Nota: intenta razonar el resultado sin realizar operaciones.

 

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Estructura física de un condensador. Simbología El condensador más elemental está formado por dos placas conductoras paralelas y un material aislante (dieléctrico) colocado entre ambas, a modo de "bocadillo", tal como se representa en la figura 3.

+Q Material dieléctrico (aislante)

Placas conductoras –Q

Fig. 3: Condensador de placas paralelas.

Las dos placas del condensador siempre tienen la misma carga eléctrica, pero con distinta polaridad. En general, hablamos de carga Q en valor absoluto cuando nos referimos al condensador, pero siempre hay una carga positiva (+Q) y una carga negativa (√Q). Resulta evidente que la placa con la carga positiva (+Q) será el polo positivo de la tensión en bornes del condensador cuando éste se encuentre cargado. En los esquemas de circuitos eléctricos, un condensador se representa con el símbolo que vemos en la fig. 4.

C

Fig. 4: Representación de un condensador.

La capacidad de un condensador depende del tipo de material dieléctrico, de la superficie de las placas conductoras (a mayor superficie mayor capacidad) y de la distancia entre las placas (a menor distancia mayor capacidad).

11

3

ctividad




a

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Determina la tensión VAB y la carga de las placas en el condensador de 10 µF de la figura.

A 50 V

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B

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Energía almacenada en un condensador Cuando un condensador se encuentra cargado almacena energía en el campo eléctrico que se establece en su interior. El valor de esta energía puede calcularse mediante la siguiente expresión:

W=

1 ⋅Q⋅V 2

Siendo:  W = energía almacenada en el condensador en julios [J].  Q = carga del condensador en culombios [C].  V = tensión del condensador en voltios [V].

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Si combinamos esta expresión con la que vimos al principio del capítulo referente a la capacidad de un condensador (Q = C ⋅ V), podremos determinar la energía almacenada en función de la capacidad y de la tensión. Para ello sustituimos el valor de la carga (Q) en la fórmula de la energía: W=

1 1 ⋅ Q ⋅ V = ⋅ (C ⋅ V) ⋅ V 2 2

Simplificando obtenemos esta otra expresión:

4

ctividad

W=

a

1 ⋅ C ⋅ V2 2

Determina la energía almacenada por los condensadores de las actividades 1 y 3 realizadas anteriormente.

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Al definir el funcionamiento de un condensador hemos visto que la operación más importante que hace es la de acumular carga eléctrica en su interior al aplicar una tensión entre sus bornes. Este proceso requiere un estudio más detallado y contempla una serie de aspectos o interrogantes que pasaremos a describir en este capítulo. La acumulación de carga viene asociada a una descarga. Hay que definir claramente cada proceso, pues se consume energía, y la variable tiempo jugará un papel importante en el funcionamiento del componente.

El proceso físico de carga de un condensador se basa en la transferencia de elec electrones desde una placa hacia la otra. Este proceso no puede ocurrir de forma instantánea, debido al fenómeno de ≈inercia∆ presente en los circuitos eléctricos. Un condensador, por tanto, no puede cambiar bruscamente de carga ni de tensión, sino que evoluciona mediante un periodo transitorio. Algo similar ocurre si nos encontramos viajando a 100 km/h y queremos pasar a 120 km/h; el cambio no puede ser instantáneo sino que hay un periodo transitorio de aceleración. Supongamos un circuito como el mostrado en la siguiente figura, compuesto por una batería o generador (E), un condensador (C) y dos resistencia (R1 y R2). El circuito dispone de un conmutador con dos posiciones 1 y 2 que nos permitirá llevar a cabo el proceso de carga y descarga del condensador.

R1

1 2

C

+

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Carga y descarga de un condensador

R2

Fig. 5: Circuito de carga y descarga del condensador.

E

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Apoyándonos en la figura anterior, vamos a partir de una situación inicial en la que el conmutador está abierto y, por lo tanto, no hay circulación de corriente eléctrica. Lo que vamos a hacer es cerrarlo sobre la posición 1. Al hacer esto, el condensador comenzará a cargarse porque los electrones de la placa superior son ≈arrancados∆ de la misma (quedando esta placa con carga positiva "+") y se van ≈incrustando∆ en la placa inferior (quedando esta placa con carga negativa "-"), tal como podemos ver en la fig. 6. R1

+

+Q

sentido real de los electrones

–Q

sentido convencional de la intensidad del circuito

Fig. 6: Posición 1. Carga de un condensador.

El proceso de carga se mantendrá hasta que la tensión del condensador se iguale a la fem (fuerza electromotriz) de la batería, momento en el cual la intensidad será será nula. nula. En este punto se dice que llegamos al régimen permanente, situación que se mantendrá indefinidamente si no se produce algún cambio en el conmutador. La situación de régimen permanente de carga se caracteriza por lo siguiente:

RÉGIMEN PERMANENTE DE CARGA Vcondensador = Ebatería I = 0 amperios Q = C ⋅ Vcondensador

Debemos observar que la intensidad del condensador y el movimiento real de los electrones tiene, por convenio, sentidos distintos.

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Transcurrido un tiempo en el régimen permanente, pasamos el conmutador a la posición 2, con lo que el condensador comenzará a descargarse tal como muestra la fig. 7.

sentido real de los electrones +Q

R2

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–Q

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sentido convencional de la intensidad del circuito

Fig. 7: Posición 2. Descarga de un condensador.

La descarga del condensador se debe a la ausencia de la batería. El circuito de la fig. 7 es un circuito "desenchufado∆, con lo que la tensión del condensador deberá ser nula cuando se alcance el nuevo régimen permanente. Observa cómo los electrones salen de la placa inferior (que cada vez tendrá menos carga negativa "√" al perder electrones) y entran en la superior (que cada vez tendrá menos carga positiva "+" al ganar electrones) hasta que ambas placas sean eléctricamente neutras. Llegado este momento alcanzamos el nuevo régimen permanente, esta vez de descarga, que se caracteriza por lo siguiente:

RÉGIMEN PERMANENTE DE DESCARGA DESCARGA V = 0 voltios I = 0 amperios Q = 0 culombios

Podemos observar en las figuras 6 y 7 que la intensidad de corriente por el condensador cambia de sentido en la descarga respecto a la carga. Al descargarse actúa momentáneamente como una batería, ya que la intensidad sale del polo positivo "+" y retorna por el negativo "√". La representación gráfica de la evolución de la tensión del condensador (Vcondensador) en función del tiempo podría verse en un osciloscopio y tendría la forma que tenemos representada en la figura 8:

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Vcondensador (V)

Posición 1 reg. transitorio de carga

Posición 1 reg. permanente

Posición 2 reg. transitorio de descarga

Tiempo (s) Posición 2 reg. permanente

Fig. 8: Evolución gráfica de la carga y la descarga de un condensador.

A través de complejas operaciones matemáticas se ha llegado a demostrar que el tiempo de duración de los transitorios de carga y descarga es aproximadamente: ttrans ≅ 5 R ⋅ C siendo:  R: resistencia del circuito en ohmios [Ω].  C: capacidad del condensador en faradios [F].  ttrans: duración del transitorio en segundos [s].

Nota: el producto "R ⋅ C" se conoce como "constante de tiempo".

Ejemplo Si en un circuito eléctrico tenemos una resistencia R = 10 kΩ y un condensador C = 10 µF, podemos calcular el tiempo del transitorio. Para ello pasaremos previamente el valor de la resistencia a ohmios (R = 10 ⋅ 103 Ω) y el valor de la capacidad a faradios (C = 10 ⋅ 10-6 F), para obtener el resultado directamente en segundos. Por tanto: ttrans = 5 ⋅ R ⋅ C = 5 ⋅ (10 ⋅ 103) ⋅ (10 ⋅ 10-6) = 5 ⋅ 10-1 s = 500 ms

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ctividad




a

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Determina el sentido de la intensidad de corriente en los siguientes condensadores, si se están cargando o descargando con la polaridad indicada en cada caso.

Vc está aumentando

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6

ctividad

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Caso 1

a

Vc está disminuyendo

Caso 2

Vc está disminuyendo

Caso 3

Vc es constante

Caso 4

Razona la influencia de la capacidad del condensador en el tiempo de duración de los periodos de carga y descarga. ∂Quién se cargará antes en el mismo circuito, un condensador de 10 µF o uno de 50 µF?




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Límite de carga máximo de un condensador Los materiales aislantes o dieléctricos, en presencia de una tensión elevada, pierden sus propiedades. Si son sólidos pueden llegar a perforarse (fig. 9); si son líquidos o gaseosos, como el aire, se ionizan produciendo un arco eléctrico (descarga disruptiva). Los rayos de las tormentas son un ejemplo de descarga disruptiva.

Generador de kV

Material dieléctrico

+

1 cm

La tensión (kV) que sea capaz de perforar el dieléctrico será su rigidez dieléctrica

Fig. 9: Ensayo para determinar la rigidez dieléctrica de un aislante sólido.

Se define rigidez dieléctrica de un aislante de 1 cm de espesor, como la tensión bajo la cual perderá sus propiedades. Esta propiedad se mide en kV/cm.

Como ejemplo podemos decir que el aire atmosférico, a presión de 1 atmósfera y un 50 % de humedad relativa, presenta una rigidez de 30 kV/cm. En la tabla adjunta podemos ver la rigidez dieléctrica de algunos materiales muy usados en la fabricación de condensadores.

MATERIAL

RIGIDEZ DIELÉCTRICA DIELÉCTRICA (kV/cm)

Aceite trafos

140

Baquelita

180

Caucho

230

Ebonita

300

Goma

130

Mica

650

Papel

90

Parafina

150

PVC

250

Polietileno

350

Porcelana

100

Vidrio

160

Tabla 2: Rigidez dieléctrica de algunos materiales aislantes.

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20

ctividad

Puesto que los condensadores llevan un dieléctrico entre placas, si permitimos que se cargue a una tensión elevada podemos producir la perforación de éste y estropear el condensador. Por este motivo, los fabricantes nos indican la máxima tensión a la que se puede cargar.

a

Un condensador presenta un dieléctrico de 5 mm de espesor y una rigidez dieléctrica de 2 kV/cm. ∂Cuál es la máxima tensión a la que se puede cargar el condensador?

Riesgo por descarga de condensadores Hemos visto que cuando desconectamos un condensador de un circuito eléctrico transcurre un pequeño periodo de tiempo (periodo transitorio de descarga) hasta que el condensador queda totalmente descargado. Durante este periodo existe riesgo de descarga para las personas, por lo que siempre hay que tomar las medidas de precaución adecuadas y descargar el componente. El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión hace referencia a este aspecto en el siguiente apartado: Apdo 2.3 de la ITC-BT-48 del REBT: "Si la carga residual de los condensadores pudiera poner en peligro a las personas, llevarán un dispositivo automático de descarga o se colocará una inscripción que advierta este peligro."

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Capacidad Eléctrica

En algunos casos, los condensadores llevan un dispositivo de descarga que consiste en una resistencia acoplada a los bornes del propio condensador de manera que permite la descarga de la corriente a través de ella en el momento de desconectarlo del circuito. En la figura 10 se muestra un circuito eléctrico de un motor monofásico con resistencia de descarga. Junto al circuito puede verse el condensador con la resistencia de descarga.

230 V

CONDENSADOR DE ARRANQUE

220 kW

1W

C

A mF

S C

R

mF

RESISTENCIA DE DESCARGA

Fig. 10: Circuito eléctrico de un motor monofásico con resistencia de descarga.

Los fabricantes de los condensadores u otros equipos que los contengan suelen incluir una serie de instrucciones o advertencias acerca de los riesgos que supone la manipulación de los mismos si no se respetan los tiempos de descarga establecidos. En la siguiente figura se muestra, como ejemplo, un regulador de velocidad, cuyo fabricante indica que no se debe manipular el equipo tras su desconexión hasta que no hayan transcurrido al menos 5 minutos.

Advertencias y Recomendaciones de Instalación

!

La tensión de alimentación debe corresponder con el convertidor seleccionado: DF/DV51-322: monofásico o trifásico: 230 V (180 a 264 VØ0%) DF/DV51-340: trifásico 400 V (342 a 506 VØ0%).

!

El mantenimiento e inspección del convertidor sólo se pueden hacer al menos 5 minutos después de haber desconectado la alimentación. Si no se tiene en cuenta este punto, se pueden producir electrochoques debido a la alta tensión acumulada en el condensador.

Fig. 11: Recomendaciones de seguridad para un convertidor (regulador de velocidad).

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Asociación de condensadores

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En muchas aplicaciones necesitamos colocar condensadores con una capacidad de la que no disponemos, bien sea porque no los tenemos en ese momento o porque no están disponibles comercialmente. En este caso, podemos acudir a una asociación de condensadores que resuelva el problema.

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Al igual que las resistencias, los condensadores se pueden agrupar siguiendo unas reglas. En este capítulo pasaremos a estudiar las características que presenta una asociación de condensadores, y veremos las herramientas adecuadas para calcular un condensador equivalente a los mismos.

Como recordarás, cuando estudiamos las resistencias vimos que éstas se podían asociar utilizando los dos tipos de conexión que denominamos serie y paralelo, y que cuando nos encontramos este tipo de asociaciones, para analizar el circuito es conveniente proceder a su simplificación, sustituyendo varias resistencias por una sola que sea equivalen equivalente a las anteriores. En el caso de los condensadores podemos proceder de manera similar. En este caso también podemos encontrarnos los dos tipos básicos de conexión:  Asociación de condensadores en serie. Presenta la particularidad de que la carga

que adquieren es la misma para todos los condensadores, mientras que la tensión entre extremos de los mismos será la suma de tensiones de cada uno de ellos.  Asociación de condensadores condensadores en paralelo. En este caso, la tensión que tienen los

condensadores es la misma para todos, y la carga que circulará será la suma de las cargas de cada uno de ellos.

Hay que tener en cuenta que, generalmente, podemos encontrarnos con circuitos en donde los condensadores se encuentren asociados de manera mixta, es decir, unos en serie y otros en paralelo, en cuyo caso habrá que ir simplificando el circuito por partes hasta obtener el condensador equivalente.

Unidad

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Capacidad Eléctrica

Asociación de condensadores en serie Imagina que tenemos varios condensadores conectados en serie y queremos sustituirlos por uno equivalente que nos proporcione la misma capacidad que los anteriores, tal como se muestra en la figura siguiente. C1

C2

C3

Ceq

Fig. 12: Asociación de condensadores en serie. Condensador equivalente.

La expresión para el cálculo de la capacidad equivalente es análoga a la asociación de resistencias en paralelo y válida para cualquier número de condensadores.

1 1 1 1 = + + ... + C eq C1 C 2 Cn

En el caso de tener únicamente dos condensadores en paralelo, hay una expresión simplificada que nos da la capacidad equivalente:

C eq =

C1 ⋅ C 2 C1 + C 2

Asociación de condensadores en paralelo En el caso de tener una asociación de varios condensadores conectados en paralelo también podemos sustituirlos por un condensador equivalente con la misma capacidad que éstos, tal como se muestra en la figura 13.

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C1

C2

C3




Ceq

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La expresión para el cálculo es análoga a la asociación de resistencias en serie y válida para cualquier número de condensadores.

Ceq = C1 + C2 + ...+ Cn

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ctividad

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Fig. 13: Asociación de condensadores en paralelo. Condensador equivalente.

a

Determina la capacidad equivalente al circuito mostrado en la siguiente figura. 5 µF

10 µF 60 µF

20 µF

Unidad

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Tipos de condensadores Ahora que ya conoces el comportamiento de los condensadores, sólo queda ver los diferentes tipos que existen y cuáles son las aplicaciones más típicas. Sobre todo es ver la forma en la que te los vas a encontrar en el desarrollo de tu profesión, ya que no es lo mismo estudiar el funcionamiento a nivel teórico, que luego encontrarte con ellos en la práctica. Existen condensadores de diversas formas y tamaños, y para poder identificarlos necesitarás poner en práctica tu capacidad de análisis.

En el mercado existen muchos tipos de condensadores, con características específicas y para usos muy variados. Todos ellos suelen llevar inscritas una serie de indicaciones que sirven para darnos las características o parámetros de diseño que tiene el elemento.

PARŸMETROS CARACTER‹STICOS CARACTER‹STICOS DE LOS CONDENSADORES CONDENSADORES Capacidad nominal minal

Indica la capacidad del generador, que puede venir indicada explícitamente (por ejemplo, 0,25 pF, 3,8 nF, 3.900 µF,...) o bien en forma abreviada (del ejemplo anterior, p25, 3n8, 3m9,...).

Tensión nominal

Se refiere a la tensión máxima que puede soportar el condensador sin que éste resulte dañado. Este valor se suele dar a una temperatura determinada.

Tolerancia de fabri fabricación

Indica el error que puede cometer el fabricante al construir el componente, y se expresa en %.

Polaridad

Determinados condensadores, debido al tipo de material empleado en su fabricación, tienen polaridad, es decir, tienen terminar positivo y negativo, y necesitan ser conectados adecuadamente para no resultar dañados.

Tabla 3: Parámetros habitualmente indicados sobre un condensador.

Según su forma de trabajar, los condensadores se pueden agrupar en dos tipos:  Condensadores fijos.  Condensadores variables.

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Los condensadores fijos se caracterizan porque la capacidad que presentan es fija y permanece constante en el tiempo, salvo deterioro del componente. Atendiendo al tipo de dieléctrico con el que están fabricados, los condensadores fijos se pueden clasificar en varios tipos. La tabla siguiente recoge los más comunes.

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TIPO

ELECTRODO

DIELÉCTRICO

De papel

Láminas de aluminio

Papel impregnado en aceite o cera

Cerámicos

Láminas de metal noble condensadas

Material cerámico

De plástico

Láminas de aluminio o película sobre el dieléctrico

Poliéster, policarbonato, polipropileno, etc.

Electrolíticos (presentan polaridad)

Disolución química conductora por ionización

Papel impregnado absorbente

EJEMPLO

Tabla 8: Tipos de condensadores fijos.

En cuanto a los condensadores variables, éstos se caracterizan por tener un mecanismo que permite variar su capacidad, lo cual se consigue normalmente variando la distancia entre placas o la superficie de las mismas. La figura 14 muestra un condensador variable tradicional.

Fig. 14: Condensador variable.

Unidad

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Capacidad Eléctrica

o Aplicaciones de los condensadores El condensador es un componente poco vistoso en los circuitos eléctricos. Es silencioso, no produce luz, no produce apenas calor, no produce trabajo útil, etc. Sin embargo, son muchas sus aplicaciones tanto en el mundo electrotécnico como en el electrónico. Veamos algunas de ellas, que serán ampliadas en unidades didácticas posteriores.

A. Aplicaciones de condensadores en Electrotecnia Los usos más habituales que se les da a los condensadores en el campo de la Electrotecnia son los siguientes:  Disminuir el consumo de intensidad en las instalaciones eléctricas industriales y

mejorar el coste del consumo.  Permitir el arranque de motores monofásicos (fig. 15).

Fig. 15: Condensador de arranque de un componente frigorífico.

B. Aplicaciones de condensadores en Electrónica En el campo de la Electrónica, los usos más habituales de los condensadores son:  Ayudar a convertir la tensión alterna en continua (rectificación) para la alimenta-

ción de las placas de circuito impreso presentes en casi todos los dispositivos electrónicos (ordenadores, monitores, equipos Hi-Fi, DVD´s, etc.). En estos casos se utilizan condensadores electrolíticos con polaridad asignada.  Filtrar un margen de frecuencias concreto en señales tipo multifrecuencia (ecuali-

zación de graves, medios o agudos en aplicaciones de audio).

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 Variar la frecuencia con la cual un circuito sintonizador selecciona una frecuen-

cia de todas las comprendidas en la señal multifrecuencia que recibe (antena). Esto se consigue con un condensador de capacidad variable, como el mostrado en la figura 14, al variar la rosca del dial, con lo cual sintonizamos la emisora de radio que queremos.

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 Eliminar la componente continua indeseable de algunas señales (fig. 16).

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SEÑAL DE TENSI‡N ALTERNA

SEÑAL DE TENSI‡N ALTERNA PURA

CON UN NIVEL DE CONTINUA

SIN NIVEL DE CONTINUA

Fig. 16: Filtrado de una componente continua mediante condensador de desacoplo.

Unidad

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Capacidad Eléctrica

Resumen Condensadores

Los condensadores son componentes de los circuitos eléctricos y están formados por dos placas conductoras (electrodos) y un material dieléctrico. Cuando se cargan, almacenan carga eléctrica en sus placas y energía en forma de campo eléctrico, que a su vez establece una tensión entre placas.

Carga y descarga de un condensador

Al cargarse un condensador, la intensidad entra en él por el polo "+" (placa positiva) y sale por el polo "√" (placa negativa). Al descargarse ocurre justamente lo contrario, es decir, la intensidad sale por el polo "+" (se comporta como una batería). En circuitos de corriente continua, los condensadores, una vez cargados (régimen permanente), no absorben intensidad.

Límite de carga

El máximo valor al que se puede cargar un condensador está limitado por la rigidez dieléctrica del aislante con el que está construido.

Asociación de condensa condensadores

Dos o más condensadores se pueden conectar en serie o en paralelo. Éstos pueden ser sustituidos por un solo condensador equivalente que tenga la misma capacidad que los anteriores.

Tipos de condensadores

Los condensadores pueden ser fijos (capacidad fija), los cuales pueden clasificarse en función del tipo de dieléctrico como: de papel, cerámicos, de plástico y electrolíticos; y también variables (capacidad variable).

Aplicaciones de los con condensadores

Principalmente, en el mundo electrotécnico, se utilizan para ayudar al arranque de motores monofásicos y para disminuir el consumo de intensidad en las instalaciones eléctricas. En electrónica también es común su uso, principalmente para convertir corriente alterna en continua, variar frecuencias, etc.

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Módulo: Electrotecnia

Autoevaluación

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1. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:

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V

F

a. Si en un circuito hay dos condensadores en serie, éstos presentan la misma carga y tensión.





b. Si en un circuito hay dos condensadores en paralelo, está más cargado el de más capacidad.





c. Los electrones que faltan en la placa positiva de un condensador cargado son los que entran en la negativa.





d. Los electrones viajan de una placa a otra del condensador a través del material dieléctrico.





e. En el proceso de carga del condensador, la intensidad entra por la placa positiva y sale por la negativa.





f. En el proceso de descarga del condensador, los electrones salen de la placa negativa hacia la positiva.





g. Cuanta más energía almacene un condensador en su campo eléctrico, más capacidad tiene.





2. En el siguiente circuito, determina: Con el conmutador en la "posición 1": a. La tensión a la que se cargó el condensador indicando la polaridad. b. La carga de cada placa. c. La energía que almacena el condensador. Si a continuación se sitúa el interruptor en la "posición 2": a. ∂Qué ocurre? b. ∂Qué energía disipa la resistencia por efecto Joule? c. Si la resistencia fuese una bombilla, ∂qué se observaría?

1.000 W

1

2 100 V

10 µF

Unidad

3

Capacidad Eléctrica

Respuestas Actividades 1. Aplicando la expresión de la capacidad de un condensador tendremos: C =

Q 200 µ C = = 5 µF V 40 V

Observa que no es necesario pasar los µC a C, ya que operando directamente con estas unidades obtenemos el valor en µF. Si queremos obtener el valor en faradios tendremos que multiplicar por 10-6: C = 5 ⋅ 10-6 F

2. El condensador que presenta el doble de capacidad (20 nF) está cargado a la mitad de tensión (50 V) que el otro; por tanto, ambos tienen la misma carga almacenada. Razonando según el símil depósito-condensador, el depósito de doble capacidad estaría lleno hasta la mitad de su altura, conteniendo ambos la misma cantidad de agua. 3. La tensión en el condensador de 10 µF será VAB = -50 V, puesto que la placa A está conectada con el polo negativo de la batería. Es decir, la placa positiva será la B y la placa negativa será la A. La carga almacenada por el condensador será: Q = C ⋅ V = 10 µF ⋅ 50 V = 500 µC Por tanto, la carga en las placas será: Placa positiva (B): +500 µC. Placa negativa (A): -500 µC.

A

-500 µC

B

+500 µC

-50 V

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4. Según la expresión que hemos visto para determinar la energía de un condensador tendremos: W=

1 ⋅Q⋅V 2

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Para el condensador de la actividad 1:

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W=

1  200  ⋅ C  ⋅ 40 V = 4 ⋅ 10 -3 J = 4 mJ 2  10 6 

Para el condensador de la actividad 3: W=

1  500  ⋅  6 C  ⋅ 50 V = 12,5 ⋅ 10 -3 J = 12,5 mJ 2  10 

Nota: recordemos que la unidad de energía en el Sistema Internacional es el Julio (J).

5. Cuando un condensador se carga, la intensidad entra por la placa positiva y sale por la negativa. Cuando se descarga, sale por la positiva y entra por la negativa. De los condensadores de la figura podemos decir lo siguiente: en el caso 1, el condensador se está cargando puesto que Vc aumenta; en los casos 2 y 3, los condensadores se están descargando porque Vc disminuye en ambos; en el caso 4 no se carga ni se descarga, por tanto, no hay intensidad (régimen permanente). I=0A Vc está aumentando

Caso 1

Vc está disminuyendo

Caso 2

Vc está disminuyendo

Caso 3

Vc es constante

Caso 4

6. La capacidad del condensador en el tiempo de duración de carga y descarga influye de la misma manera que lo hace la capacidad de un depósito que se está llenando de líquido. Es decir, un depósito grande tardará más en llenarse que uno pequeño, por tanto, un condensador de más capacidad, en la misma posición dentro de un circuito, tardará más tiempo en cargarse. Esto puede demostrarse también apoyándose en la expresión ttrans ≅ 5 R ⋅ C. Según esto, a mayor capacidad C, mayor tiempo en los transitorios de carga o descarga.

Unidad

3

Capacidad Eléctrica

7. La ≈regla de tres∆ es clara: 1 cm = 10 mm ___________ 2.000 V 5 mm ___________ Vmax Resolviendo esta "regla de tres" obtenemos la tensión máxima permitida a la que se puede conectar el condensador: Vmax =

5 mm ⋅ 2.000 V = 1.000 V 10 mm

El condensador podrá cargarse hasta una tensión máxima de 1.000 voltios.

8. Los condensadores de 10 µF y de 20 µF están conectados en paralelo, de modo que sumando ambos valores obtenemos un valor de 30 µF, que corresponde a la capacidad del condensador equivalente. El condensador de 30 ±F que hemos obtenido se encontrará en serie con los condensadores de 60 µF y de 5 µF. Utilizando la expresión que hemos visto para el cálculo de condensadores en serie tendremos lo siguiente: 1 1 1 1 1 1 1 2 + 1 + 12 15 1  1  = + + = + + = = =   C eq C1 C 2 C 3 30 60 5 60 60 4  µF  Despejando los términos, obtenemos la capacidad del condensador equivalente a todos los condensadores del circuito: Ceq = 4 µF

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Respuestas Autoevaluación 1. Las respuestas correctas son las siguientes: a. Falsa: dos condensadores en serie sí presentan la misma carga, porque la intensidad que los cargó fue la misma, pero no necesariamente tienen la misma tensión (sólo si fuesen de la misma capacidad).

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b. Verdadera: en paralelo están a la misma tensión, luego el de más capacidad está más cargado.

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c. Verdadera: los electrones no pueden perderse por el camino ni escapar fuera de los conductores eléctricos. d. Falsa: el dieléctrico es un aislante, luego no conduce intensidad. El camino de los electrones para ≈viajar∆ de un placa a otra se establece por fuera del condensador. e. Verdadera. Ver fig. 6 f. Verdadero. Ver fig. 7. g. Falsa: la capacidad es una constante de fabricación, y será la misma independientemente de que el condensador almacene poca o mucha energía.

2. Basándonos en el circuito del enunciado haremos el análisis del mismo para las dos posiciones 1 y 2 del interruptor. Interruptor en la posición 1: a. El condensador se carga con 100 V, que es la tensión de la batería. El polo positivo "+" de esta tensión está en la placa superior, y el negativo "√" en la inferior. b. La carga la calculamos mediante la expresión Q = C ⋅ V, y su valor será: Q = C ⋅ V = 10 µF ⋅ 100 µC = 1.000 µC = 10-3 C Por tanto, la carga de cada placa es la que se muestra en la siguiente figura.

+1.000 µC 100 V √1.000 µC

Unidad

3

Capacidad Eléctrica

2. Interruptor en la posición 1 (continuación): c. La energía que almacena el condensador será: W=

1  1.000  ⋅ C  ⋅ 100 V = 0,05 J 2  10 6 

Interruptor en la posición 2: a. Cuando el interruptor adopta la posición 2, ocurre que el condensador se descarga en régimen transitorio hasta que queda totalmente descargado, sin tensión, sin carga y sin energía almacenada. b. Durante la descarga, el condensador cede su energía previamente almacenada a la resistencia, y ésta la convierte en calor que cede al ambiente (efecto Joule). Recuerda que ≈la energía ni se crea ni se destruye∆. Por tanto, la energía del condensador se transforma en calor, con la colaboración de la resistencia. c. Suponiendo que la resistencia fuera una bombilla, durante la descarga del condensador veríamos un destello de luz en la bombilla y luego quedaría apagada permanentemente. Destello de luz

Bombilla apagada permanentemente

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