Tipos de Condensadores
Los condensadores se pueden clasificar en función de características tales como el dieléctrico, rango de capacidades, forma, etc.
En la Fig.11a se representa un condensador de papel, formado por dos láminas de aluminio (armaduras) separadas por finas capas de papel (dieléctrico).
El dieléctrico también puede ser de material cerámico, como en la Fig.11b, muy utilizado en telecomunicaciones.
Ambos condensadores son de capacidad fija y su símbolo en los circuitos eléctricos es el indicado en la parte inferior (la líneas verticales representan las armaduras y las horizontales los cables de conexión). Dicho símbolo, aunque recuerda el esquema del condensador plano, se utiliza para representar un condensador de cualquier geometría.
En las Fig.11c y 11d están representados condensadores electrolíticos (radial y axial respectivamente), denominados así porque el dieléctrico está formado por un fina capa de óxido de un metal (aluminio o tantalio, este último de mejor calidad y más caro) que es reforzada por electrólisis de la disolución de electrólito cuando se conecta a una ddp. Esta técnica permite obtener elevadas capacidades, con una buena relación capacidad/tamaño. Se caracterizan, además, por tener polaridad, es decir, cada terminal se debe conectar a su correspondiente polaridad (la patita negativa –cátodo– es más corta que la positiva –ánodo–). En caso de conectarlos incorrectamente se elimina la capa de óxido (además, generalmente la polarización inversa origina gases por electrólisis y puede provocar una explosión) y el condensador se volverá conductor, en lugar de almacenar carga, algo que no hay que tener en cuenta en los condensadores anteriores. Los símbolos empleados en los circuitos eléctricos para los condensadores electrolíticos están dibujados en la parte inferior de las Fig.11c y Fig.11d.
Por último, se representa un condensador de capacidad variable (Fig.11e), con aire como dieléctrico, siendo su símbolo el representado en la parte inferior. Al girar el eje se desplazan unas láminas metálicas que forman una armadura respecto a otras fijas que forman la otra armadura, variando así el número de líneas de campo eléctrico interceptadas entre ambas armaduras, y por tanto, la capacidad.
Estos condensadores se encuentran frecuentemente en los aparatos de radio en los circuitos sintonizadores de emisoras.
Los condensadores reales tienen asociadas, además de capacidad, una resistencia y una inductancia (término que se analizará en una unidad posterior) debidas a los terminales y a la estructura del componente. Estos dos últimos aspectos no se tendrán en cuenta en el análisis que se desarrolla en esta unidad.
Capacitancia Equivalente
Los circuitos eléctricos contienen a menudo varios condensadores y frecuentemente unidos entre sí, uniones o asociaciones que pueden ser de varias formas, siendo las más simples la asociación en paralelo y la asociación en serie de condensadores.
Estas asociaciones de condensadores en los circuitos tienen como finalidad conseguir un efecto análogo al que produciría un condensador de características definidas del que no se dispone, o bien por exigencias propias del circuito.
En ciertas asociaciones (entre ellas en paralelo y en serie) se puede calcular la capacidad equivalente, es decir, reemplazar la asociación por un único condensador equivalente que es aquel condensador que produce los mismos efectos (almacenar la misma carga, estar sometido a la misma diferencia de potencial y almacenar la misma energía eléctrica que los condensadores de la asociación) en el circuito que la asociación a la que reemplaza. En este apartado veremos los métodos para calcular la capacidad equivalente de asociaciones en paralelo y en serie por separado para, finalmente, la de una asociación mixta a través de un ejemplo.
Asociación en paralelo
En la Fig.19a tenemos un ejemplo de asociación en paralelo de tres condensadores con capacidades C1, C2 y C3 (en general no tienen porque ser del mismo valor y en la figura se ha supuesto que C2 = 2AC1 y C3 = 3AC1), estando la asociación conectada a una fuente de continua. Suponiendo ideales los conductores del circuito, las armaduras izquierdas (con signo positivo por estar conectadas al borne positivo de la fuente) de los tres condensadores están al mismo potencial. Las armaduras derechas (con signo negativo) también están al mismo potencial. Obsérvese que en la asociación en paralelo de condensadores los bornes del mismo signo están conectados entre sí. En consecuencia, la diferencia de potencial) V de los tres condensadores es la misma e igual a la de la fuente, por lo que se verifica
Durante todo el proceso de carga de los condensadores de la asociación, la fuente desplaza carga eléctrica para cargar con q1 el condensador C1, con q2 el condensador C2, etc. de tal forma que la carga total q desplazada por la fuente al final del proceso de carga vale
siendo los valores de dichas cargas qi los siguientes (téngase en cuenta que ∆V1 = ∆V, ∆V2 = ∆V, etc):
adquiriendo más carga el condensador de la asociación que tenga mayor capacidad, pues todos están sometidos a la misma tensión.
Por otra parte, en la Fig.19b tenemos el condensador equivalente con capacidad C que reemplaza a la asociación en paralelo de los tres condensadores. Este condensador equivalente, para producir los mismos efectos que la asociación, tendrá que almacenar la carga total q de los tres condensadores dada por la expresión [51] (la fuente deberá desplazar la misma carga que antes de substituir la asociación por el condensador equivalente) y estar sometido a la misma diferencia de potencial de la asociación, ∆V, siendo el valor de q:
Para calcular la capacidad C del condensador equivalente se substituyen las expresiones de las cargas (de la [52] a la [55]) en [51] obteniendo
que al eliminar el factor común ∆V queda
expresión que podemos generalizar muy fácilmente para una asociación en paralelo de n condensadores:
La capacidad equivalente de una asociación de condensadores en paralelo es igual a la suma de las capacidades de los condensadores asociados, observándose que al añadir más condensadores a la asociación se incrementa la capacidad de la misma, siendo la capacidad del condensador equivalente superior a la del condensador de mayor capacidad de la asociación.
Interesa pues una asociación en paralelo cuando se desee una capacidad equivalente mayor que cualquiera de las asociadas, consiguiéndose de esta forma acumular grandes cantidades de carga con diferencias de potencial pequeñas.
Asociación en serie
En la Fig.20a tenemos un ejemplo de asociación en serie de dos condensadores con capacidades C1 y C2, estando conectada la asociación a una fuente de continua que somete a la asociación a una diferencia de potencial) V. En el proceso de carga, la fuente desplaza electrones de la armadura izquierda de C1 a la armadura derecha de C2 a través de la fuente, en una cantidad equivalente en carga positiva que podemos denominar q, adquiriendo las armaduras los signos que se indican en dicha figura y con la misma cantidad de carga.
Los electrones del metal de la armadura izquierda de C2 son repelidos desplazándose hacia la izquierda, quedando la armadura derecha de C1 cargado con –q y la armadura izquierda de C2 con +q, tal como se indica en la Fig.20b. En consecuencia, las armaduras interiores se cargan por inducción.
En definitiva, la carga adquirida por cada condensador es la misma en todos ellos:
quedando claro que la fuente sólo desplaza una cantidad de carga q. Puesto que la carga en cada condensador es la misma y en general la capacidad será diferente, entonces cada condensador de la asociación estará sometido a una diferencia de potencial )Vi cuyos valores vendrán dados por:
siendo la caída de tensión total igual a la suma de las caídas de tensiones:
Además, tal como se observa en la Fig.20b, en una asociación en serie las armaduras de distintos signos están unidas entre sí.
En la Fig.20c tenemos el condensador equivalente de capacidad C que substituye a la asociación.
Este condensador equivalente, para que produzca los mismos efectos en el circuito que los que produce la asociación, tendrá que almacenar una carga q (la misma que desplazó la fuente para cargar los dos condensadores de la asociación) y estar sometido a la tensión total) V, por lo que para dicho condensador equivalente se cumple:
con un valor de la capacidad que obtendremos al substituir las expresiones [60], [61] y [63] en [62]:
de donde eliminamos el factor común q:
que generalizando para una asociación en serie de n condensadores se obtiene:
La inversa de la capacidad equivalente de una asociación en serie de condensadores es igual a la suma de las inversas de las capacidades de los condensadores asociados. Obsérvese que la adición de un condensador en serie incrementa 1/C, lo que significa que la capacidad equivalente de la asociación en serie disminuye a medida que se añaden condensadores a dicha asociación, siendo la capacidad del condensador equivalente inferior a la del condensador de la asociación de menor capacidad.
Código de Colores
Aplicaciones
Se emplea el efecto de los condensadores para combatir la polución del aire en los precipitadores electrostáticos empleados en las chimeneas de las industrias. El funcionamiento de las fotocopiadoras se basa también en los fenómenos electrostáticos (xerografía= escritura en seco)
Amplificador pasabajos diferencial a capacitores conmutados para aplicaciones biomédicas implantables.
Resumen: Se presenta el diseño y medida de un amplificador con característica pasabajos a capacitores conmutados para aplicaciones biomédicas implantables alimentadas a baterías. El circuito tiene una ganancia de 48 con un ancho de banda de 200Hz. El consumo total es de 0.8 micro A y el circuito fue diseñado para tensiones de alimentación desde 2V a 2.8V. Se verificó una correcta operación del circuito para tensiones de alimentación a partir de 1.5V. El área del circuito es 0.25mm 2
en una tecnología de 0.8 micras CMOS.
Se presenta un algoritmo simple para la caracterización de la respuesta en frecuencia del circuito, basado en la respuesta transitoria, que reduce drásticamente el tiempo de simulación requerido.
La adquisición de señales biomédicas requiere de etapas de amplificación con alta ganancia y filtrado en rangos de frecuencia bajos (a lo sumo algunos kilohertz). Los circuitos a capacitores conmutados brindan una alternativa para la implementación completamente integrada de este tipo de etapas. Este trabajo presenta el diseño y construcción de un filtro pasabajos de capacitores conmutados con entrada diferencial similar a los requeridos para el manejo de señales cardíacas con características de consumo y tensión de alimentación compatibles con sistemas implantables alimentados a batería.
Las especificaciones del filtro fueron: filtro pasabajos con entrada diferencial de frecuencia de corte de 200 Hz, una ganancia diferencial de aproximadamente 50, una tensión de alimentación nominal de 2.8 V pero que puede bajar hasta 2 V y un consumo nominal de entre 0.5 y 1 µA. El rango de señales de entrada será de 0.2 a 4 mV pico a pico.
Autor:
Wulkan
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