Boninas y Capacitores

Bobinas

FUNCIONAMIENTO

Un inductor o bobina es un componente
pasivo de un circuito eléctrico que, debido al
fenómeno de la autoinducción, almacena
energía en forma de campo magnético. Un inductor
está constituido usualmente por una cabeza hueca de una
bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre
esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con
núcleo de un material ferroso, para incrementar su
capacidad de magnetismo.Los inductores pueden también
estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo
proceso utilizado para realizar microprocesadores.

 En estos casos se usa,
comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin
embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los
circuitos integrados; es mucho más práctico usar un
circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador
operacional, hace que un condensador se comporte como
si fuese un inductor. 

La bobina o inductor por su forma
(espiral de alambres enrollados) almacena energía en forma
decampo magnético

La bobina almacena energía
eléctrica en forma de campo
magnético cuando aumenta la intensidad de corriente,
devolviéndola cuando ésta disminuye.

Comportamiento en corriente continúa

Una bobina ideal en corriente
continua se comporta como
un cortocircuito (conductor ideal), ya que al
ser i(t) constante, es decir, no varía con el
tiempo, no hay autoinducción de ninguna f.e.m.

Una bobina real en régimen
permanente se comporta como
una resistencia cuyo valor RL (figura
5a) será el de su devanado.

En régimen transitorio, esto es, al
conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden
fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la
corriente (ver circuitos serie RL y RC).

Comportamiento en corriente alterna

En corriente alterna, una bobina ideal
ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica
que recibe el nombre de reactancia inductiva, XL, cuyo
valor viene dado por el producto de la pulsación por la
inductancia, L:

Si la pulsación está
en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia
en henrios (H) la reactancia resultará
en ohmios.

Al conectar una CA senoidal v (t) a una
bobina aparecerá una corriente i (t), también
senoidal, esto es, variable, por lo que, como se comentó
más arriba, aparecerá una fuerza contra
electromotriz, -e (t), cuyo valor absoluto puede
demostrase que es igual al de v (t). Por tanto, cuando la
corriente i (t) aumenta, e (t) disminuye para dificultar dicho
aumento; análogamente, cuando i (t) disminuye, e (t)
aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede
apreciarse en el diagrama de la figura 3. Entre 0º y
90º la curva i (t) es negativa, disminuyendo desde su valor
máximo negativo hasta cero, observándose que e (t)
va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre
90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta su
valor máximo positivo, mientras e (t) disminuye hasta ser
cero. Desde 180º hasta los 360º el razonamiento es
similar al anterior.

Dado que la tensión aplicada, v (t)
es igual a -e (t), o lo que es lo mismo, está desfasada
180º respecto de e (t), resulta que la corriente i (t) queda
retrasada 90º respecto de la tensión aplicada.
Consideremos por lo tanto, una bobina L, como la de la figura 2,
a la que se aplica una tensión alterna de
valor:

De acuerdo con la ley de Ohm
circulará una corriente alterna, retrasada 90º (p /
2) respecto a la tensión aplicada, de valor:

Por lo tanto, en los circuitos de CA,
una bobina ideal se puede asimilar a una magnitud
compleja sin parte real y parte imaginaria
positiva.

En la bobina real, habrá que tener
en cuenta la resistencia de su bobinado, RL, pudiendo ser
su circuito equivalente o modelo, el que aparece en la
figura 5b) o 5c) dependiendo del tipo de bobina o frecuencia de
funcionamiento, aunque para análisis más precisos
pueden utilizarse modelos más complejos que los
anteriores.

Se fabrican arrollando un hilo conductor
sobre un núcleo de material ferro magnético o al
aire. Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema
Internacional pero se suelen emplear los submúltiplos mH y
mH.Sus símbolos normalizados son los
siguientes:

Existen bobinas de diversos tipos
según su núcleo y según tipo de
arrollamiento.Su aplicación principal es como filtro en un
circuito electrónico, denominándose
comúnmente, choques.

Características

1. Permeabilidad magnética (m).- Es
una característica que tiene gran influencia sobre el
núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia
de las mismas. Los materiales ferro magnéticos son muy
sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores
altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan
menos sensibilidad a los campos magnéticos.El factor que
determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos
magnéticos se llama permeabilidad magnética.Cuando
este factor es grande el valor de la inductancia también
lo es.

2. Factor de calidad (Q).- Relaciona la
inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La
bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor
óhmico debido al hilo de la misma.

Tipos

El inductor consta de las siguientes
partes:

Pieza polar: Es la parte del circuito
magnético situada entre la culata y el entrehierro,
incluyendo el núcleo y la expansión
polar.

Núcleo: Es la parte del circuito
magnético rodeada por el devanado inductor.

Devanado inductor: Es el conjunto de
espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser
recorrido por la corriente eléctrica.

Expansión polar: Es la parte de la
pieza polar próxima al inducido y que bordea al
entrehierro.

Polo auxiliar o de conmutación: Es
un polo magnético suplementario, provisto o no, de
devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen
emplearse en las máquinas de mediana y gran
potencia.

Culata: Es una pieza de sustancia
ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a
unir los polos de la máquina.

Tipos de
bobinas

1. FIJAS

Con núcleo de aire

El conductor se arrolla sobre un soporte
hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto
parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias
elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina
solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la
presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser
cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras.
Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se
pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un
mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para
frecuencias elevadas.

Con núcleo sólido

Poseen valores de inductancia más
altos que los anteriores debido a su nivel elevado de
permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un
material ferro magnético. Los más usados son la
ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias
considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas
se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores
(en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos
encontraremos con las configuraciones propias de estos
últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener
forma de EI, M, UI y L.

Las bobinas de nido de abeja se utilizan en
los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de
onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen
altos valores inductivos en un volumen mínimo.Las bobinas
de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo
generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se
crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un
gran rendimiento y precisión. Las bobinas de ferrita
arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente
cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante
desde el punto de vista práctico ya que, permite emplear
el conjunto como antena colocándola directamente en el
receptor.

Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un
circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero
son difícilmente ajustables mediante
núcleo.

2. VARIABLES

También se fabrican bobinas
ajustables. Normalmente la variación de inductancia se
produce por desplazamiento del núcleo.Las bobinas
blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la
bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o
cuadrada, cuya misión es limitar el flujo
electromagnético creado por la propia bobina y que puede
afectar negativamente a los componentes cercanos a la
misma.

Aplicaciones

También pueden fabricarse
pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy
altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de
ferrita o granulado.

En estos casos se usa, comúnmente,
el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se
construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es
mucho más práctico usar un circuito llamado
"girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un
condensador se comporte como si fuese un inductor.

Sea una bobina o solenoide de
longitud l, sección S y de un número
de espiras N, por el que circula una corriente
eléctrica i(t).

Aplicando la Ley de
Biot-Savart que relaciona la inducción
magnética, B(t), con la causa que la produce, es
decir, la corriente i(t) que circula por el solenoide,
se obtiene que el flujo magnético F(t) que
abarca es igual a:

A la expresión  se le
denomina Coeficiente de autoinducción, L, el
cuál, como se puede ver, únicamente depende de la
geometría de la bobina o solenoide. Se mide
en Henrios.

Así obtenemos la
expresión:

Pero además, al ser el flujo
magnético variable en el tiempo, genera, según
la Ley de Faraday, una fuerza
electromotriz (f.e.m.) de autoinducción que,
según la Ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa
que la produce, es decir, a la variación de la corriente
eléctrica que genera dicho flujo magnético. Por
esta razón suele llamarse fuerza contra
electromotriz. Ésta tiene el valor

Suponiendo una bobina ideal, figura, sin
pérdidas de carga, aplicando la segunda Ley de
Kirchhoff, se tiene que:

Es decir, en toda bobina eléctrica
dentro de un circuito se produce en ella una caída de
tensión

Si en el instante t = 0, la bobina
está cargada con una corriente I, ésta se
puede sustituir por una bobina descargada y una fuente de
intensidad de valor i(0) = I en paralelo.

La corriente por la bobina y por tanto el
flujo no pueden variar bruscamente ya que si no la
tensión vL(t) debería hacerse infinita.
Por eso al abrir un circuito en donde se halle conectada una
bobina, siempre saltará un arco de corriente entre los
bornes del interruptor que da salida a la corriente que descarga
la bobina.

Cuando el inductor no es ideal porque tiene
una resistencia interna en serie, la tensión aplicada es
igual a la suma de la caída de tensión sobre la
resistencia interna más la fuerza contra-electromotriz
auto inducida.

Al igual que las resistencias, las
bobinas pueden asociarse en serie (figura 6), paralelo (figura 7)
o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no
exista acoplamiento magnético, la inductancia
equivalente para la asociación en serie vendrá dada
por:

Para la asociación mixta se
procederá de forma análoga que con las
resistencias.

Si se requiere una mayor comprensión
del comportamiento reactivo de un inductor, es conveniente
entonces analizar detalladamente la "Ley de Lenz" y comprobar de
esta forma cómo se origina una reactancia de tipo
inductiva, la cual nace debido a una oposición que le
presenta el inductor o bobina a la variación de flujo
magnético.

Examinemos el comportamiento
práctico de un inductor cuando se interrumpe el circuito
que lo alimenta. En el dibujo de derecha aparece un inductor que
se carga a través una resistencia y un interruptor. El
condensador dibujado en punteado representa las capacidades
parásitas del inductor. Está dibujado separado del
inductor, pero en realidad forma parte de él, porque
representa las capacidades parásitas de las vueltas del
devanado entre ellas mismas. Todo inductor tiene capacidades
parásitas, incluso los devanados especialmente concebidos
para minimizarlas como el devanado en "nido de
abejas".

El transformador: es un componente
basado en la disposición de dos bobinas acopladas
magnéticamente con un núcleo de material ferro
magnético, constituido de placas de ferrita. La bobina por
donde entra la corriente recibe el nombre de primario y por donde
sale de secundario. Debido a este acoplamiento, la señal
de entrada en el transformador sufre variaciones que son
recogidas a la salida. Se pueden utilizar transformadores para
elevar su amplitud o disminuirla o bien para adaptar entre si
otros componentes.  

 Una de las aplicaciones más
comunes de las bobinas y que forma parte de nuestra vida diaria
es la bobina que se encuentra en nuestros autos y forma parte del
sistema de ignición. En los sistemas de
iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento
adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se
llama balastro En las fuentes de alimentación
también se usan bobinas para filtrar componentes de
corriente alterna y solo obtener corriente continua en la
salida.

Una bobina de
Tesla (también simplemente: bobina Tesla) es un
tipo de transformador resonante, llamado así en honor
a su inventor, Nikola Tesla. Las bobinas de Tesla
están compuestas por una serie de circuitos
eléctricos resonantes acoplados.

Capacitores

FUNCIONAMIENTO

Se llama capacitor a un dispositivo que
almacena carga eléctrica. El capacitor está formado
por dos conductores próximos uno a otro, separados por un
aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo
valor, pero con signos contrarios.

En su forma más sencilla, un
capacitor está formado por dos placas metálicas o
armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas,
separadas por una lámina no conductora o
dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador,
ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la
otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada
negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son
iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice
que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.

Los capacitores pueden conducir corriente
continua durante sólo un instante (por lo cual podemos
decir que los capacitores, para las señales continuas, es
como un cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en
circuitos de corriente alterna. Es por esta propiedad lo
convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe
impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un
circuito eléctrico, pero si queremos que pase la
alterna.

Los capacitores se utilizan junto con las
bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros
equipos electrónicos. Además, en los tendidos
eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir
resonancia eléctrica en el cable y permitir la
transmisión de más potencia.

En electricidad y electrónica,
un condensador (del latín "condensare") es un
dispositivo que almacena energía eléctrica, es
un componente pasivo. Está formado por un par de
superficies en situación de influencia
total (esto es, que todas las líneas de campo
eléctrico que parten de una van a parar a la otra),
generalmente en forma de tablas, esferas o láminas,
separadas por un material dieléctrico (siendo
este utilizado en un condensador para disminuir el campo
eléctrico, ya que actúa como aislante) o por
el vacío, que, sometidas a una diferencia de
potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga
eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la
otra (siendo nula la carga total almacenada).

La carga almacenada en una de las placas es
proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la
otra, siendo la constante de proporcionalidad la
llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema
internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo
1faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas
sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, éstas
adquieren una carga eléctrica de
1 culombio.

El condensador almacena carga
eléctrica, debido a la presencia de un campo
eléctrico en su interior, cuando aumenta la
diferencia de potencial en sus terminales, devolviéndola
cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede
obtener que la energía almacenada por un condensador con
capacidad C, que es conectado a una diferencia de
potencial V1 - V2, 

En condensador es
un dispositivo formado por dos placas metálicas
separadas por un aislante llamado
dieléctrico.

Un dieléctrico o aislante es un
material que evita el paso de la
corriente.

El condensador o capacitor almacena
energía en la forma de un campo (es evidente cuando
el capacitor funciona con corriente directa) y se
llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas
eléctricas que es capaz de almacenar

El símbolo
del capacitor se muestra al lado derecho:

La capacidad depende de las
características físicas del condensador:- Si
el área de las placas que están frente a frente es
grande la capacidad aumenta- Si la separación entre placas
aumenta, disminuye la capacidad- El tipo de
material dieléctrico que se aplica entre las
placas también afecta la capacidad- Si se aumenta
la tensión aplicada, se aumenta la carga
almacenada.

TIPOS

TIPOS DE CAPACITORES 

Existen diversos tipos de capacitores, los
cuales posee propiedades y características físicas
diferentes, entre los cuales se encuentran:

Capacitores eléctricos de
aluminio

Capacitores de tantalio

Capacitores eléctricos de
cerámica

Capacitores Papel y
Plásticos

Micas y Vidrios

Características de los capacitores
eléctricos de aluminio:

Son populares debido a su bajo costo y gran
capacitancia por unidad de volumen Existen en el mercado unidades
polarizadas y no polarizadas. Son del tipo de hojas
metálicas, con un electrólito que puede ser acuoso,
en pasta o "seco" (sin agua).

La capacitancia está estrechamente
relacionada con la temperatura y puede decrecer en un orden de
magnitud desde la temperatura ambiente hasta -55° C. Esta
variación se reduce en capacitores de primera calidad y en
productos recientes con formulaciones electrolíticas
más complicadas.

No están diseñados para
aplicaciones a frecuencias elevadas, y la impedancia puede
alcanzar un valor mínimo a frecuencias tan bajas como 10
kHz.

La corriente de fuga disminuye durante la
operación. En el uso normal, la corriente de fuga aumenta
con el voltaje aplicado y con la temperatura. Como guía
muy general, la corriente se duplica a medida que el voltaje
aplicado se incrementa del 50 al 100% del valor nominal, y se
duplica por cada 25° C de aumento en la
temperatura.

Presentan un decremento gradual en
capacitancia sobre un largo periodo, debido a la pérdida
de electrólito a través de los sellos, aunque con
los tipos recientes de empaque se ha reducido de manera
significativa este deterioro, y los capacitores presentan en la
actualidad un decremento del 10%, o menor, al cabo de 10 000
horas.

Otro problema que debe observarse implica
el empleo de ciertos agentes limpiadores en los tableros de
circuitos impresos. El cloro de los solventes de hidrocarburos
halogenados, como el freón, puede penetrar por los sellos
y atacar la estructura interna del aluminio, provocando la falla
en poco tiempo.

Para la limpieza se recomienda xileno,
alcoholes y ciertos tipos de detergentes exentos de
cloro.

Característica de los capacitores
eléctricos de tantalio:

Son más flexibles y confiables, y
presentan mejores características que los
electrolíticos de aluminio, pero también su costo
es mucho más elevado.

Existen tres tipos:

Capacitores de hojas metálicas
(láminas):

Se elaboran del mismo modo que los
electrolíticos de aluminio

Los alambres conductores de tantalio se
sueldan por puntos tanto a la lámina del ánodo como
a la del cátodo, las cuales se arrollan después con
separadores de papel en un rollo compacto. Este rollo se inserta
dentro de una envoltura metálica y, a fin de mejorar el
rendimiento, se agrega un electrólito idóneo, como
etilenglicol o dimetilformamida con nitruro de amonio,
pentaborato de amonio o polifosfatos.

Capacitores de hojas de tantalio

Existen en el mercado en tamaños que
varían de 0.12 hasta 3 500 mF, a voltajes hasta de 450
V

La mayor parte de las aplicaciones para
este tipo de capacitor se encuentran en los intervalos de voltaje
superiores, en los que no es posible aplicar los condensadores de
tantalio húmedo, y cuando se requieren calidades
superiores a las de los electrolíticos de aluminio, a
pesar del mayor costo.

Las desventajas, en comparación con
otros tipos de capacitores de tantalio, son: gran tamaño,
elevadas corrientes de fuga y gran variación en la
capacitancia con la temperatura.

La principal aplicación de estos
condensadores se encuentra en filtros de fuentes de
alimentación.

Capacitores de tantalio
sólido:

Parecido a la versión húmeda,
en cuanto a sus etapas iniciales de manufactura.

No hay líquido que se evapore, y el
electrólito sólido es estable.

La variación de la capacitancia es
muy pequeña: ±10% respecto de su valor a
temperatura ambiente en todo el intervalo de temperatura desde
-55 hasta 125° C.

Por desgracia, ni el electrólito ni
el dieléctrico presentan las cualidades de autor
reparación asociadas con otros capacitores
electrolíticos.

Para proteger los condensadores de fallas
tempranas debidas a defectos del óxido y del
electrólito se recomienda su envejecimiento conectado
durante 100 h a voltaje nominal y temperatura máxima,
empleando una fuente de energía de baja impedancia.
Además, se recomienda que el voltaje de operación
no exceda el 60% del voltaje nominal.

Características de los capacitores
eléctricos de Cerámica

Bajo costo, reducido tamaño, amplio
intervalo de valor de capacitancia y aplicabilidad general en la
electrónica.

Son particularmente idóneos para
aplicaciones de filtrado, derivación y acoplamiento de
circuitos híbridos integrados, en las que es posible
tolerar considerables cambios en la capacitancia.

Se elaboran en forma de disco, como
capacitores de capas múltiples o monolíticas, o en
forma tubular.

El material dieléctrico es
principalmente titanato de bario, titanato de calcio o
dióxido de titanio con pequeñas cantidades de otros
aditivos para obtener las características
deseadas.

Características de los capacitores
eléctricos de papel o plástico:

El papel, el plástico y las
combinaciones de ambos se utilizan en una gran variedad de
aplicaciones, como filtrado, acoplamiento, derivación,
cronometraje y suspensión de ruido

Son capaces de funcionar a altas
temperaturas, poseen alta resistencia de aislamiento, buena
estabilidad.

La propiedad de autor reparación de
las películas metálicas es bastante útil en
ciertas aplicaciones.

La disponibilidad de películas
extremadamente delgadas y la gran variedad de materiales
proporciona la flexibilidad necesaria para un gran intervalo de
aplicaciones.

La capacitancia varía con la
temperatura de un dieléctrico a otro.

Los capacitores de papel y plástico
pueden emplearse a altas frecuencias, según el
tamaño y la longitud de las puntas.

Característica de los capacitores de
mica y vidrio:

Los capacitores con dieléctrico de
mica y vidrio se aplican cuando se requiere carga
eléctrica alta y excelente estabilidad con respecto a la
temperatura y frecuencia.

Los capacitores de mica existen en el
mercado con una gran diversidad de tamaños.

Tanto los capacitores de mica como los de
vidrio son estables con respecto a la temperatura. Para algunos
valores de capacitancia es posible que el coeficiente de
temperatura sea cero.

Ambos tipos de capacitores pueden operar a
alta frecuencia. La frecuencia de autor resonancia es de unos 10
MHz para grandes valores del capacitor y mayor de 100 MHz para
valores más pequeños.

APLICACIONES

Además son utilizados en:
Ventiladores, motores de Aire Acondicionado, en
Iluminación, Refrigeración, Compresores, Bombas de
Agua y Motores de Corriente Alterna, por la propiedad antes
explicada.

Este hecho es aprovechado para la
fabricación de memorias, en las que se aprovecha la
capacidad que aparece entre la puerta y el canal de
los transistores MOS para ahorrar
componentes.

Los condensadores suelen usarse
para:

• Baterías, por su cualidad de
  almacenar energía.

• Memorias, por la misma
  cualidad.

• Filtros.

• Adaptación de impedancias,
  haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros
  componentes.

• De modular AM, junto con
  un diodo.

• El flash de las cámaras
  fotográficas.

• Tubos fluorescentes.

• Mantener corriente en el circuito y
  evitar caídas de tensión.

Autor:

Sánchez Barreras Armando
Emanuel

COLEGIO DE ESTUDIOS CIENTIFICOS Y
TECNOLOGICOS DE BAJA CALIFORNIA.

Plantel el niño

Materia: ELABORAR INSTALACIONES ELECTRICAS
INDUSTRIALES

Profesor: MARTIN BRAVO

2AM