FABRICACION DE CAPACITADORES Y MANUFACTURA DE CAPACITADORES DE DIMENSIONES PEQUEÑAS
Autor: Reynaldo Lira Portugal
AREQUIPA - PERU
INDICE
I.
Introducción -------------------------------------------------------------------------(3)
II.
Desarrollo -----------------------------------------------------------------------(3-15)
-Fabricación de cada tipo de Capacitor ----------------------------------- (3-9) -Aplicaciones de los capacitores en la Ingeniería ------------------- (10-11) -Identificación de Capacitores ------------------------------------------- (11-14) -capacitores de dimensiones Pequeñas ----------------------------------- (15)
III.
Conclusiones ----------------------------------------------------------------- (15-16)
IV.
Apéndices ---------------------------------------------------------------------(16-17)
V.
Referencias Bibliográficas -------------------------------------------------(18-21)
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INTRODUCCION Los capacitores comerciales se clasifican de acuerdo con el material con el que está fabricado el dieléctrico. Los capacitores más comunes son los de aire, mica, papel, cerámica y electrolíticos. Cada tipo de capacitor se fabrica de una forma diferente y a la vez son distintos son utilizados en diferentes ámbitos y cada tipo de capacitor se utiliza mas para una determinada área. Todos los diferentes tipos de capacitores o condensadores son consecuencia de la revolución de la tecnología en estos últimos años uno de los tipos de capacitores de alta tecnología son los capacitores con chip incluidos que son mas utilizados con fines científicos en la nasa para satélites enviados al espacio. Atreves de los tiempos la fabricación de los capacitores han ido siendo más sofisticadas desde capacitores o condensadores sencillos hasta capacitores de dimensiones pequeñas ultra resistentes a cortos circuitos con muchas más duración pero en sí que es un capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito.
DESARROLLO:
FABRICACION DE CADA TIPO DE CAPACITOR
CAPACITOR DE PAPEL Son los fabricados con hojas de aluminio como conductores y hojas delgadas de papel kraft (normalmente impregnado con cera, aceite, resina o un compuesto sintético) como dieléctrico, el condensador completo se sitúa dentro de una envuelta de metal, plástico o cartón, que protege a la unidad y evita la humedad, si se colocan las bandas de metal se puede soldar un cable en cada extremo de forma que cada vuelta de la cinta de metal quede conectada a su terminal. Como 3
esto reduce el efecto inductivo de las vueltas, tal condensador se denomina a veces de tipo no inductivo.
CAPACITOR DE CERAMICOS Entre los condensadores más empleados, debido a su bajo precio y buenas características capacitivas, están los de cerámica, los cuales basan su funcionamiento en dos delgadas placas metálicas separadas entre sí por una delgada lámina de material cerámico. El material que más se emplea en la actualidad es una cerámica con base en Titanatio de bario, y su forma de disco resulta familiar. Estos condensadores tienen una estructura muy sencilla, sin embargo, esta sencillez trae aparejado un problema delicado: a menos que se construyan dispositivos realmente grandes su capacidad máxima es relativamente pequeña (comercialmente se alcanzan valores de 0.22 µF).
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Para poder compensar parcialmente esta desventaja, se idearon algunas variantes en la construcción de estos dispositivos, tal como la aplicación de varias capas superpuestas conectadas entre sí en paralelo
A estos dispositivos se les llama o conoce con el nombre de condensadores cerámicos multicapa, y gracias a este recurso se pueden encontrar componentes con una capacidad de hasta 1 µF. Con este método el disco se ensancha, pero el tamaño del dispositivo sigue siendo relativamente pequeño. Una ventaja de los condensadores cerámicos, es que el material aislante utilizado es muy resistente al paso de la corriente, pudiendo así encontrar dispositivos que fácilmente resisten tensiones de 500 ó 1000 volts. Una de sus principales desventajas de estos tipos de condensadores es su amplio rango de tolerancia. Existe, por ejemplo, la familia de capacitores “Z”, la cual posee una tolerancia de – 20 a + 80% del valor nominal. No obstante, gracias a los avances en la construcción de elementos electrónicos, se ha podido diseñar una familia de condensadores cerámicos que es la familia “J”, que posee una tolerancia de ± 5.
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CAPACITOR DE POLIESTER
La construcción de un condensador de poliéster es sumamente sencilla, como se muestra en la siguiente figura
Una de las grandes ventajas que tienen estos condensadores en comparación con los cerámicos, es su alta estabilidad en un amplio rango de temperatura; además de una tolerancia muy estrecha, ya que la mayoría de los dispositivos de este tipo tienen una tolerancia de ± 10 % (familia “K”), aunque aquí también existe la familia “J” con una tolerancia de ± 5 %.
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CAPACITOR ELECTROLITICO Un condensador electrolítico consiste en dos placas metálicas separadas por un electrolítico. El electrolítico no es realmente el material dieléctrico, sino el electrodo negativo, el dieléctrico es una delgada película de óxido que se forma sobre la placa positiva del condensador, la segunda placa a veces llamada erróneamente electrodo negativo proporciona el medio de hacer contacto con el electrolito (el electrodo negativo verdadero) y sirve como terminal negativo. La capacidad de un condensador electrolítico depende de: el área de las placas, el espesor del dieléctrico y la constante dieléctrica de la película de óxido.
CAPACITOR ELECTROLITICOS DE ALUMINIO Se pueden construir de una forma sustancialmente seca usando un electrolito gelatinoso, los condensadores electrolíticos secos tienen una gran capacidad con unas dimensiones relativamente pequeñas y son el tipo más económico para muchas aplicaciones. Un condensador electrolítico seco consta de una lámina positiva, una negativa y un separador que contiene el electrolito, arrollados en forma cilíndrica, y de los montajes necesarios para las conexiones eléctricas, su protección y montaje. 7
CAPACITOR DE TANTALIO El tantalio se puede emplear en lugar del aluminio para los electrodos de los condensadores electrolíticos, con el tantalio se consiguen más µfaradios por voltio por centímetro cúbico que con el aluminio, y esto permite grandes avances en el campo de la miniaturización. Los condensadores de tantalio tienen diversas ventajas en comparación con sus equivalentes electrolíticos; por ejemplo, su tamaño es menor; son dispositivos que se dañan con menos facilidad ante cargas inversas; y además su operación general es más estable, toda vez que al no ser húmedos no se secan. La desventaja de estos condensadores, es que el óxido de tantalio que llevan resiste poco voltaje, lo que hace que no superen los 25 V; además son considerablemente más costosos que los condensadores electrolíticos equivalentes.
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CAPACITOR VARIABLES Un condensador variable tiene dos conjuntos de placas, un conjunto que puede girar y se llama rotor y otro estacionario llamado estator; el estator tiene generalmente una placa más que el rotor. El condensador se construye dé forma que las placas del rotor se muevan libremente entre las del estator, haciendo así que varíe la capacidad. Las placas de un condensador variable deben ser buenas conductoras, inoxidables, fuertes y rígidas para que mantengan una capacidad uniforme y no se origine un corto circuito entre ellas.
CAPACITOR AJUSTABLES Los condensadores ajustables, denominados a veces trimmers o padders, se emplean para ajustar la capacidad de un circuito, este tipo de condensador consta de dos o más placas aisladas entre sí por medio de una hoja de mica y se construye de forma que se pueda variar la distancia que separa las placas con un pequeño tornillo de ajuste. Los condensadores trimmer y padder se definen por su capacidad mínima y máxima, se pueden encontrar condensadores ajustables con una capacidad mínima de hasta 0.5 pF. y con una capacidad máxima de hasta 500 Pf
CAPACITOR DE MONTAJE SUPERFICIAL. En la actualidad, el creciente proceso de miniaturización de los diversos aparatos electrónicos ha hecho obsoletos los métodos de montaje y fabricación convencionales. Por eso se diseño la tecnología de montaje superficial, en la que los elementos van soldados directamente sobre la cara de pistas del circuito impreso; así se evita la necesidad de realizar perforaciones en la tablilla, al tiempo que puede reducirse notablemente el tamaño de los dispositivos empleados. Los condensadores no podían quedar al margen, por lo que también se desarrollaron versiones en miniatura de acuerdo con la tecnología empleada para fabricar los dispositivos cerámicos.
CAPACITOR INCORPORADOS EN CHIPS Tan necesarios son los condensadores en el diseño de circuitos integrados, que incluso se ha llegado a límites de miniaturización realmente inconcebibles, a tal grado que para observarlos se necesita un microscopio. En ciertos circuitos 9
integrados como el popular amplificador operacional 741, es necesario incluir un condensador compensador en la estructura electrónica.
APLICACIONES DE LOS CAPACITORES EN LA INGENIERIA Aplicaciones del capacitor
En el caso de los filtros de alimentadores de corriente se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente alterna pero no corriente continua. Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia. Circuitos temporizadores. Filtros en circuitos de radio y TV. Fuentes de alimentación. Arranque de motores. Automóviles híbridos
Por la eficiencia en el uso de la energía estos dispositivos son un elemento prometedor para el desarrollo de medios de transporte que combinen la energía solar con la proveniente de combustibles fósiles. Su aprovechamiento se debe fundamentalmente a que permiten una mejor descarga de energía durante la aceleración del vehículo. En la prueba realizada en el 2000 para los nuevos autobuses de transporte de la NASA que con el uso de condensadores se podía acelerar a 157 pies en 10 segundos con el mínimo de pérdidas de energía. Un desarrollo importante es el uso de súper condensadores para el desarrollo de la unidad de apoyo auxiliar (APU por sus siglas en inglés). Freightliner y Delphi demostraron su uso en sistemas automotrices de pasajeros, aunque BMW argumenta que hay poca sensibilidad para su regulación debido a las modificaciones hechas a la gasolina para reducir la emisión de contaminantes, por lo que es viable instalarlos en sistemas basados en hidrógeno.
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Apoyo energético
Muchos proyectos en ingeniería, como el diseño de elevadores, requieren de ciclos donde en una etapa se requiera una baja descarga de energía y otros de una alta descarga (como cuando el elevador desciende y asciende). Esta demanda requiere de sistemas que permitan una regulación precisa de la energía suministrada y una alta capacidad de almacenamiento de energía. De esta manera los súper condensadores suministran la energía necesaria para subir el elevador sin necesidad de sobrecargar la red eléctrica.
Aplicaciones de energía solar
En aplicaciones de energía solar es necesario estabilizar la tensión suministrado por las fotos celdas, por lo que se utilizan súper condensadores de 2400 F dispuestos en paralelo para estabilizar el suministro de energía eléctrica. De la foto celdas generalmente se traslada la diferencia de potencial a una válvula de regulación de descarga ácida. Actualmente se estudia la manera de controlar la tensión a través de un banco de súper condensadores que permite disminuir los picos de tensión y proveer una corriente constante de 1.37 A por 45 segundos cada hora, gracias al almacenamiento de energía en el condensador y su liberación estable en un circuito equivalente RLC.
Almacenamiento de energía
Uno de los usos más extendidos de súper condensadores es su uso en sistemas microelectrónicos, memorias de computadoras y relojes y cámaras de alta precisión. Su uso permite mantener el funcionamiento de los dispositivos durante horas e incluso días.
Sistemas de transferencia de energía
Una aplicación estudiada ampliamente en la actualidad es el uso de súper condensadores en sistemas UPS unido a sistemas de transferencia de energía acoplados por inducción (ICPT). Se utilizan para facilitar la transferencia de energía, hacer más eficiente la carga de energía eléctrica, permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas eléctricos.
IDENTIFICACIÓN DE CAPACITORES Vamos a disponer de un código de colores, cuya lectura varía según el tipo de condensador, y un código de marcas, particularizado en los mismos. Primero determinaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro de 11
estos. Las principales características que nos vamos a encontrar en los capacitores van a ser la capacidad nominal, tolerancia, tensión y coeficiente de temperatura, aunque dependiendo de cada tipo traerán unas características u otras. En cuanto a las letras para la tolerancia y la correspondencia número-color del código de colores, son lo mismo que para resistencias. Debemos destacar que la fuente más fiable a la hora de la identificación son las características que nos proporciona el fabricante.
Capacitores cerámicos tipo placa, grupo 1 y 2.
Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 1.
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Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 2.
Capacitores cerámicos tubulares.
CÓDIGO DE COLORES
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Capacitores de plástico.
CÓDIGO DE COLORES
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IMPORTANCIA DE LOS CAPACITORES Un capacitor por sí solo no tiene mayor importancia, pero cuando lo combinas con otros elementos que pueden ser cualquiera como resistencias, transistores, diodos cualquier otro elemento toma mucha importancia El capacitor toma mucha importancia en la mayoría de aparatos que necesitan electricidad para funcionar los capacitores son necesarios hoy en día para el ser humano ya que nosotros necesitamos mucho de la electricidad Si no podríamos utilizar los capacitores la vida del ser humano volvería a unos tiempos sin tecnología y no habría un avance en la civilización
CAPACITORES DE DIMENSIONES PEQUEÑAS Los condensadores de dimensiones relativamente pequeñas pueden tener una capacidad de 100 a 1000 mF. Pero hoy en día los capacitores de dimensiones pequeñas son los más utilizados en la fabricación de diversos aparatos que necesiten capacitores para su funcionamiento Estamos en una era en donde cada nuevo aparato debe ser más delgado y pequeño a la vez por lo que se necesita que cada vez las partes de cada aparato sean más livianas y pequeñas así como delgadas es así como los capacitores a comparación de hace unos años que eran inmensos en volumen pero ahora cada vez se vuelven más pequeños y más confiables es por eso que hoy en día existen los capacitores de dimensiones pequeñas
CONCLUSIONES:
Un capacitor es un componente electrónico, el cual puede describirse como dos placas de material conductor, separadas por un aislamiento, comúnmente llamado dieléctrico Los capacitores comerciales se clasifican de acuerdo con el material con el que está fabricado el dieléctrico. Los capacitores más comunes son los de aire, mica, papel, cerámica y electrolíticos. Los capacitores pueden encontrarse en cortocircuito o en circuito abierto. En cualquier caso, el capacitor no sirve pues no es capaz de almacenar 15
carga eléctrica. Un capacitor con fuga es equivalente a un cortocircuito parcial, donde el dieléctrico pierde poco a poco sus propiedades aislantes bajo el influjo del voltaje aplicado, disminuyendo de esta forma su resistencia. Un buen capacitor tiene una resistencia muy grande, de orden de varios MΩ, un capacitor en cortocircuito tiene una resistencia igual a 0Ω; en otras palabras, exhibe continuidad; la resistencia de un capacitor con fuga es menor que la resistencia normal. Es común indicar la calidad de un capacitor en términos de pérdidas mínimas proporcionando el valor del factor de potencia, el cual es una medida de la cantidad de potencia proporcionada que su disipa como calor en el capacitor. Entre menor sea la magnitud del factor de potencia de un capacitor, mayor será la calidad de éste. Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.
APENDICES Apéndice 1 Capacitancias en paralelo Esto equivale a sumar el área de las placas. Por consiguiente, la capacitancia total es la suma de todas las capacitancias. El voltaje a través de varios capacitores en paralelo es el mismo. Nótese que la suma de capacitancias en paralelo es opuesta a la situación en donde se tienen inductancias o resistencias en paralelo. Capacitancias en serie. Esto equivale a aumentar el espesor del dieléctrico. En consecuencia, la capacitancia total tiene un valor menor que el correspondiente a la menor capacitancia en el circuito. Los capacitores se conectan en serie con el fin de obtener un valor nominal mayor del voltaje de ruptura para todo el arreglo. Apéndice 2 16
Capacitancia parásita y efectos inductivos. Estas dos características pueden ser evidentes en todos los circuitos y para todo tipo de componentes. Un capacitor exhibe una pequeña inductancia en los conductores. Una bobina tiene cierta capacitancia entre los devanados. El resistor tiene una inductancia y capacitancia pequeñas. Después de todo, una capacitancia física es sólo un aislador colocado entre dos puntos que tienen diferentes potenciales. Una inductancia es, básicamente, un conductor por el que circula corriente. En realidad estos efectos parásitos generalmente son bastante pequeños cuando se comparan con los valores de capacitancia e inductancia no distribuidos. Los valores comunes de capacitancia parásita se encuentran entre 1 y 10 pF, mientas que los correspondientes a inductancias de este tipo son, usualmente, menores de 1 μH. Sin embargo, para radiofrecuencias muy grandes que es donde se emplean valores pequeños de capacitancia e inductancia los efectos parásitos son muy importantes. Otro ejemplo en el que se tiene una capacitancia, es un cable. Cualquier cale tiene una capacitancia entre los conductores. Capacitancia parásita en circuitos. El alambrado y los componentes de un circuito tienen una capacitancia con respecto del chasis. Esta capacitancia parásita Cs tiene un valor común que se encuentra entre 5 y 10 pF. Para reducir este valor, el alambrado debe de ser corto y las terminales y componentes debe colocarse en la parte alta del chasis. En algunas ocasiones cuando las frecuencias son muy altas, la capacitancia parásita se incluye como parte del diseño del circuito. En estos casos, cambiar la ubicación de los componentes o el alambrado, afectará la operación del circuito. Este orden crítico de los alambres de conexión, suele especificarse en los manuales de servicio del fabricante. Apéndice 3
Fallas frecuentes en capacitores. Los capacitores pueden encontrarse en cortocircuito o en circuito abierto. En cualquier caso, el capacitor no sirve pues no es capaz de almacenar carga eléctrica. Un capacitor con fuga es equivalente a un cortocircuito parcial, donde el dieléctrico pierde poco a poco sus propiedades aislantes bajo el influjo del voltaje aplicado, disminuyendo de esta forma su resistencia. Un buen capacitor tiene una resistencia muy grande, de orden de varios MΩ, un capacitor en cortocircuito tiene
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una resistencia igual a 0Ω; en otras palabras, exhibe continuidad; la resistencia de un capacitor con fuga es menor que la resistencia normal
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