Condensadores (página 2)

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