UNIVERSIDAD LATINA DE COSTA RICA CIRCUITOS ELECTRICOS RL - RC EN CORRIENTE DIRECTA Ing. Marvin Segura Salazar, MSc Abril 2021 EL CAPACITOR. 1.1- Concepto Se le denomina capacitor o condensador al elemento capaz de almacenar carga eléctrica en el dieléctrico. Se simboliza con la letra “C” y su unidad de medida es “f” (Faradios) (Figura 20) Figura 20 Capacitor Las dos placas en el capacitor son eléctricamente neutras porque hay el mismo número de protones (carga positiva) que de electrones (carga negativa) en cada placa. PRACTICA CAPACITORES SERIE-PARALELO El voltaje que se establece en las terminales del condensador es precisamente función de la cantidad de carga eléctrica que se almacena. Si se considera una capacitancia o una inductancia ideal conectada a una fuente de voltaje alterno (senoidal), el desfasamiento de la corriente con respecto al voltaje será de 90º adelantada para el caso de la capacitancia, y 90º atrasada para el de la inductancia. De esta forma la corriente y el voltaje, en un circuito cualquiera, pueden tener un desfasamiento eléctrico entre cero y 90º con la corriente antecediendo al voltaje, o viceversa. 1.2- Clasificación de los capacitores Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. (Figura 22) Como la permitividad eléctrica es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas. Condensador de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: Bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. (Figura 23)Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos. Figura 23 Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce su higroscopía aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar. Condensador electrolítico. El dieléctrico es una disolución electrolítica (Figura 24) que ocupa una cuba electrolítica. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante muy fina sobre la cuba, que actúa como una armadura y el electrolito como la otra. Consigue capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad determinada, por lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo una corriente en el electrolito que aumenta la temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador. Existen de varios tipos: Figura 24 Condensador Electrolítico Condensador de tantalio (tántalos). (Figura 25)Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen, pero arden en caso de que se polaricen inversamente. Figura 25 Condensador de tantalio Condensador para corriente alterna. Está formado por dos condensadores electrolíticos en serie, con sus terminales positivos interconectados. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. (Figura 26) Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipripoleno. Figura 26 Condensador de Poliester Condensador cerámico. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. (Figura 27) Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los Condensador cerámico. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. (Figura 27) Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. Figura 27 Condensador Cerámico Condensador variable Condensador con dos juegos de armaduras móviles una con respecto a la otra. (Figura 28) Su uso implica una variación continua de la capacidad. Ecuación para el cálculo del capacitor o condensador C = Qc / 2 2- REACTANCIA CAPACITIVA. La reactancia inductiva XC es la oposición a la corriente alterna debida a la Capacitancia del circuito. La unidad de reactancia Capacitiva es el ohm. La formula de XC, es: Donde XC = Reactancia Capacitiva en (Ω) F = frecuencia en (HZ) C = Capacitancia en (f) Ejemplo 1: Un Ckto consiste de una capacitancia de 45μf, que operen a una frecuencia de 50 Khz. ¿Cuál es la reactancia capacitiva del circuito? Ejemplo 2: ¿Cuál debe ser la capacitancia de un circuito, para que tenga una reactancia de 942 Ω y una frecuencia de 60 HZ? Al igual que la resistencia, los condensadores pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie: 2.1-Calculo en asociación serie Ejemplo 1: Para el siguiente circuito serie calcule CT. 2.1-Calculo en asociación serie Ejemplo 1: Para el siguiente circuito serie calcule CT. Ejemplo 2: Para el siguiente circuito serie calcule CT. 2.2- Calculo en asociación Paralelo: Ejemplo 1: Para el siguiente circuito paralelo calcule CT. Ejemplo 2: Para el siguiente circuito paralelo calcule CT. 2.3 Calculo en asociación mixta Circuito mixto al igual que en los resistores es una combinación de circuitos paralelos y serie. Ejemplo 1: Para el siguiente circuito paralelo calcule CT. Primeramente se resuelven los condensadores que están en paralelo C3, C4, C5 , luego se determina CT. 3- INDUCTANCIA. 3.1-Concepto Es una inductancia la energía se almacena en forma de campo magnético. o son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica. Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire, Se simboliza con la letra “L” . (Figura 29) Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional. Con núcleo de aire.- (Figura 30) 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. 1. Bobina 2. Inductancia 3. Bobina con tomas fijas 4. Bobina con núcleo ferromagnético 5. Bobina con núcleo de ferroxcube 6. Bobina blindada 7. Bobina electroimán 8. Bobina ajustable 9. Bobina variable Figura 30 Fijas con núcleo de aire Figura 29 Simbología de Bobinas 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. 3.2- Tipos de bobinas 1. FIJAS 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 ferromagnético. Los más usados son la ferrita. 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). (Figura 31) Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L. Bobina de ferrita B o bi n a d e fe rr it a d e ni d o d e a b ej a Bobinas de ferrita para SMD Bobinas con núcleo toroidal Figura 32 Fenómeno inductivo En las cargas inductivas como los motores y transformadores, la intensidad se encuentra retrasada respecto a al tensión. En este caso se tiene un factor de potencia retrasado. Las bobinas denido 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. Si, se aplica el voltaje de una pila a un elemento inductivo la corriente crece exponencialmente. Esta corriente establece un campo en el núcleo del inductor que se opone a los cambios súbitos. Este fenómeno provoca un retraso en el flujo de la corriente a través de la bobina. Si al igual en el caso anterior se tiene un arreglo de forma que se pueda disminuir el voltaje de la pila, se observa que la corriente también disminuye. Sin embargo en el momento en que el voltaje llega a cero, el campo magnético del inductor se opone a que la corriente sea cero e induce un voltaje que provoca que siga fluyendo. En la (Figura 32) se ilustra este fenómeno. En ella se aprecia como los cambios de corriente van atrasados con respecto a los cambios de voltaje, por lo que se puede decir que en una inductancia el voltaje antecede a la corriente. 4- Reactancia inductiva 4.1- La reactancia inductiva XL es la oposición a la corriente alterna debida a la inductancia del circuito. La unidad de reactancia inductiva es el ohm. La formula de XL, es: XL = 2∏f L Donde XL = reactancia inductiva en (Ω) F = frecuencia en (HZ) L = inductancia en (H) - Calculo Ejemplo 1: Un Ckto consiste de una bobina de 20 mH que operen a una frecuencia de 950 Khz. ¿Cuál es la reactancia inductiva de la bobina? Ejemplo 2: Cual debe ser la inductancia de una bobina para que tenga una reactancia de 942 Ω y una frecuencia de 60 HZ. 4.2- Calculo asociación serie Al igual que la resistencia, y condensador pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie: Ejemplo: 1 Determine LT, para los siguientes ejercicios. Ejemplo: 2 4.3-Calculo en asociación paralelo: Ejemplo: 1 Determine LT, para los siguientes ejercicios Ejemplo: 2 4.4- Calculo en asociación mixta al igual que en los resistores es una combinación de circuitos paralelos y serie. Ejemplo 1: Para el siguiente circuito paralelo calcule LT. EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN I. a. Calcule la capacitancia equivalente en cada uno de los siguientes circuitos serie, paralelo y mixto. . RESUELVA LOS SIGUIENTES EJERCICIOS RC 1. Un Circuito RC serie de corriente alterna tiene una I= 1Amp con R=50Ω y Xc = 120Volt, Cálcale VR, VC, VT, θ, Dibuje el diagrama fasorial. 2. Una Xc de 40Ω y una R de 30Ω están en serie, conectadas a una fuente de voltaje de 120Volt. Calcule Z, I, θ, Dibuje el diagrama fasorial. 3. Un resistor de 20Ω y un capacitor de 7.95μf se conectan en paralelo a una fuente de 100 Volt, 2KHZ, Encuéntrese. Las corrientes de rama, IT, θ, Z, Fp, P, Q, S, Dibuje el diagrama fasorial. II a. Calcule al inductancia equivalente en cada uno de los siguientes circuitos serie, paralelo y mixto.
