electromagnetismo.uai.edu.arelectromagnetismo.uai.edu.ar/IIC2013/EESI/Documentos 4A... · Web view= 0 A), ha terminado la carga del capacitor. Finalmente hay que destacar que debido

Universidad Abierta InteramericanaSede Centro – Turno Noche.

TP Capacitores y Ultra Capacitores

Profesores

Titular: Vallhonrat, Carlos Adjunto: Cingolani, Enrique

Alumno

Castro, Juan. Castro Evans, Mercedes Krasnov, Ricardo Gonzalez, Javier. Topalian, Diego.

Contenido1. Capacitores.................................................................................................................4

UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA AñoFacultad de Tecnología Informática 2013

Materia: Electromagnetismo de Estado Sólido I

1.1. PARA QUÉ SIRVE...........................................................................................................6

1.1.1. Acumuladores de energía:........................................................................................6

1.1.2. Filtros de rizado........................................................................................................6

1.1.3. Filtros de audiofrecuencia (AF).................................................................................6

1.1.4. Filtros de radiofrecuencia (RF) y sintonizadores.......................................................7

1.1.5. Filtros de frecuencia de línea....................................................................................7

1.1.6. Protectores de componentes electrónicos, bobinas y contactos de relays..............7

1.1.7. Multiplicadores de Voltaje........................................................................................7

1.1.8. Acumuladores (digitales y analógicos) de información............................................8

1.1.9. Constantes de tiempo y acoplamientos....................................................................8

1.1.10. Integradores y derivadores RC..................................................................................8

1.1.11. Selectores o conmutadores táctiles..........................................................................8

1.1.12. Desfasadores de línea (Corrección del "factor de potencia")...................................8

1.1.13. Sensores y Transductores.........................................................................................9

1.2. DE QUÉ ESTÁ HECHO....................................................................................................9

1.3. CÓMO FUNCIONA.......................................................................................................10

1.3.1. Porqué se carga un capacitor (Descripción cualitativa):.........................................10

1.3.2. Conservación de la carga eléctrica (en la carga y en la descarga de un capacitor). 11

1.3.3. Efecto del dieléctrico (Descripción cualitativa).......................................................12

1.3.4. Efecto del dieléctrico (cuantitativamente).............................................................12

1.4. Capacitores conectados en paralelo entre sí..............................................................13

1.5. Capacitores conectados en serie entre sí...................................................................14

1.6. Cómo se carga un capacitor (Circuito RC-serie en régimen transiente)......................15

2. Ultra Capacitores......................................................................................................162.1. Clasificación................................................................................................................17

2.2. Características............................................................................................................17

2.3. Aspecto.......................................................................................................................18

2.3.1. Aspecto Teorico..................................................................................................18

2.3.2. Aspecto Real.......................................................................................................19

2.4. Principios de Funcionamiento....................................................................................19

2.4.1. Doble capa de capacitancia electroestática........................................................19

2.4.2. Pseudocapacitancia............................................................................................20

Página 2 de 40



2.5. Materiales Utilizados..................................................................................................21

2.5.1. Electrodos...........................................................................................................21

2.5.2. Electrolito...........................................................................................................21

2.5.3. Separador...........................................................................................................21

2.5.4. Colectores...........................................................................................................22

2.6. Parámetros Eléctricos.................................................................................................22

2.7. Ciclo de Vida de un UltraCapacitor.............................................................................23

2.8. Comparación de UltraCapacitores Actuales...............................................................23

2.9. Comparación entre Tipos de Ultracapacitores...........................................................27

3. Comparación Capacitores/Ultra Capacitores Vs Baterias........................................284. Uso de Capacitores/Ultra Capacitores.....................................................................31

4.1. Memorias...................................................................................................................32

4.2. Filtros..........................................................................................................................32

4.3. Demodular AM, junto con un diodo...........................................................................32

4.4. Baterías de Condensadores........................................................................................34

4.5. Aplicaciones de los ultracapacitores en la actualidad.................................................35

4.6. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA...............................................................................35

4.7. SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE POTENCIA.............................................................35

5. Futuro de Capacitores/Ultra Capacitores.................................................................365.1. Automóviles híbridos..................................................................................................38

5.2. Apoyo energético.......................................................................................................39

5.3. Almacenamiento de energía.......................................................................................39

5.4. Sistemas de transferencia de potencia.......................................................................40

Página 3 de 40



1. Capacitores

Un capacitor o condensador eléctrico es un componente: 1. eléctrico (trabaja con corrientes y voltajes)2. pasivo (no proporciona ganancia ni excitación) 3. de dos terminales (que puede ser simétrico o bien, polarizado), y4. que acumula carga eléctrica.

Las principales características que describen a un capacitor son: 1. Fijo o variable2. Electrolítico o no, Con o sin polaridad y Material del dieléctrico3. Capacidad eléctrica nominal C (en pF, nF, μF o en mF)4. Tolerancia de la capacitancia (en %)5. Voltaje máximo de operación ΔVmax (en V ó kV)6. Temperatura máxima o Rango de temperatura de operación (en °C)7. Tipo de encapsulado y terminales para montaje (axial o no, superficial o

no)

De esas propiedades, la principal es su capacitancia o capacidad (de acumular carga) eléctrica C, que en el S. I. de Unidades se mide en "F", "farad" o "faradio", y es la relación entre la carga acumulada Q (que se mide en "C", "coulomb" o "coulombio") y la diferencia de potencial o voltaje ΔV entre sus 2 terminales (en "V", "volt" o "voltio") que existe cuando está cargado: C = Q/ΔV El valor C de la capacitancia es una constante del capacitor (un número real positivo) que depende de parámetros geométricos (forma y tamaño del capacitor) y físicos (del material del dieléctrico).

Página 4 de 40



Como el farad y el coulomb representan cantidades muy grandes de capacitancia y de carga eléctrica respectivamente, es más común encontrar F y C con los prefijos p ("pico", 10-12), n ("nano", 10-9), μ ("micro", 10-6) y m ("mili", 10-3).

Cuando un capacitor de capacidad eléctrica C tiene una diferencia de potencial ΔV, el capacitor está cargado con una carga Q = C ΔV. La carga máxima que puede acumular está determinada por otro parámetro importante del capacitor: el voltaje máximo ΔVmax que es inferior pero cercano al "voltaje de ruptura" (VBR, Breakdown Voltage) que pueda tener sin destruirse. Este voltaje también depende de parámetros geométricos del capacitor y físicos del material dieléctrico.

Un criterio de diseño arbitrario pero típico es usar hasta un voltaje que sea el máximo dividido por raiz de 2. Por ej. un capacitor cuyo voltaje máximo nominal sea 25 V, con este criterio debería estar sometido a voltajes inferiores al 71% de 25 V (unos 18 V).

El parámetro del material directamente relacionado con el VBR, es el campo eléctrico de ruptura dieléctrica, denominado "resistencia dieléctrica" o "ruptura dieléctrica" (EBR, Dielectric Strength) que se mide en kV/mm (ó 106V/m). Para el aire seco en condiciones normales la ruptura se produce a 3 kV/mm aproximadamente.

La tolerancia porcentual (que se indica generalmente con letras), determina el rango de valores en el que está (con cierta probabilidad) la capacitancia de un capacitor comercial. La tolerancia está asociada a la calidad en su fabricación. Por ejemplo un capacitor con una capacitancia nominal de "1000 μF" y una tolerancia "M" (20%) significa que el valor de su capacidad eléctrica debería estar entre 800 y 1200 μF. Los códigos de tolerancia más comunes son:

"M" ±20% "K" ±10%

"J" ±5%"G" ±2% "F" ±1%

"D" ±0.5% "C" ±0.25% "B" ±0.1%

"A" ±0.05% "Z" ±0.025%

1.1. PARA QUÉ SIRVE

Un capacitor es un elemento muy simple, pero según cómo y dónde se utilice,

Página 5 de 40



sirve para diferentes e importantes funciones, como por ejemplo:

1.1.1. Acumuladores de energía:

Un capacitor cargado, puede proporcionar carga eléctrica para realizar un cierto trabajo. Por lo tanto, todo capacitor cargado tiene una energía potencial eléctrica U acumulada (que se mide en "J", "joule" o "julio").

1.1.2. Filtros de rizado

Esta función se encuentra en las fuentes de alimentación (de corriente y/o de voltaje), donde los capacitores se utilizan para eliminar ("filtrar") el rizado o riple remanente de la conversión de corriente alterna (AC) en continua (DC) realizada por el circuito rectificador.

1.1.3. Filtros de audiofrecuencia (AF)

Cuando señales compuestas por diferentes frecuencias se aplican a un capacitor, éste tiene más "reactancia capacitiva" a las ondas de relativa baja frecuencia. Este hecho tiene una importante aplicación en los circuitos preamplificadores y amplificadores de audio. En particular, los divisores de frecuencia pasivos (compuestos por capacitores, bobinas y resistores) que se encuentran dentro de algunas cajas acústicas ("baffles"), tienen configuraciones simples denominadas "filtros pasa altos" que dejan pasar las frecuencias medias y altas (a través de capacitores en serie) hacia los parlantes de sonidos medios y agudos ("tweeters"). También forman "filtros pasa bajos" que cortocircuitan a tierra los agudos (a través de un capacitor en paralelo) para que no lleguen a los parlantes de sonidos más graves ("woofers"). Estos divisores de frecuencia también se utilizan con luces psicodélicas en teatros, discotecas y pubs, para enviar los bajos hacia lámparas de cierto color, y los sonidos medios y los altos a otras lámparas de diferente color.

1.1.4. Filtros de radiofrecuencia (RF) y sintonizadores

En los aparatos de radio, de televisión (TV), teléfonos, detectores de metales y otros sistemas de alta frecuencia, se utilizan capacitores en la implementación de "filtros pasabanda", para dejar pasar solo un estrecho rango de frecuencias. Capacitores fijos y variables puestos en paralelo (en "tandem") forman parte de los circuitos "tanque" de sintonización de emisoras, conectados generalmente en paralelo con bobinas o con transformadores de RF.

Por el contrario, en los "filtros de rechazo de banda" (o filtros "notch"), los capacitores se usan para eliminar un estrecho rango de frecuencias.

Página 6 de 40



1.1.5. Filtros de frecuencia de línea

Los filtros notch también se utilizan para eliminar múltiplos de la frecuencia de la red eléctrica que puedan interferir con un dado equipo. Por ejemplo, si la red es de 50 Hz, según el equipo puede haber filtros notch implementados con capacitores para eliminar "ruido" de frecuencia 50, 100, 150 y 200 Hz.

1.1.6. Protectores de componentes electrónicos, bobinas y contactos de relays

En circuitos inductivos (donde haya bobinas) los capacitores funcionan como supresores ("snubbers") de transitorios. Conectados en paralelo sirven para absorber la energía de la sobretensión inducida, ya que hacen que el transitorio de corriente evolucione más lentamente (y por lo tanto que el voltaje inducido sea menor), evitando que un contacto eléctrico se funda y se perfore, o protegiendo componentes pasivos (como bobinas, transformadores y motores), o evitando quemar componentes activos (como transistores, tiristores y triacs).

1.1.7. Multiplicadores de Voltaje

Conectando diodos rectificadores y capacitores, se pueden implementar configuraciones de alto voltaje que cargan los capacitores en los semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del circuito. Se utilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las fuentes de televisores y de ozonizadores de aire en hospitales y de agua en piscinas).

1.1.8. Acumuladores (digitales y analógicos) de información

Junto con la gran familia de "FET´s" (Field Effect Transistors, transistores de efecto de campo), los capacitores se utilizan en referencias de voltaje, dentro de "chips" de memorias y en circuitos lógicos.

1.1.9. Constantes de tiempo y acoplamientos

Los capacitores sirven para producir constantes de tiempo (del tipo τ = RC o equivalentes) en temporizadores, alarmas, sirenas, atenuadores de luz ("dimmers") y convertidores portátiles de voltaje.

Los capacitores también sirven para acoplar circuitos lógicos, etapas de amplificadores y sondas con instrumentos (como osciloscopios).

1.1.10. Integradores y derivadores RC

Las constantes de tiempo RC también se utilizan para hacer que un capacitor

Página 7 de 40



en paralelo (como en una configuración pasa bajos) se comporte como un integrador de los voltajes con frecuencias superiores a la frecuencia de corte f-

3dB del filtro.

Por el contrario, un capacitor en serie (como en una configuración pasa altos) se comporta como un derivador de los voltajes con frecuencias inferiores a la frecuencia de corte f-3dB del filtro.

1.1.11. Selectores o conmutadores táctiles

En selectores de pisos en ascensores, teclado en cajeros, y en dispositivos como las ruedas táctiles de los iPod´s, los capacitores sirven como interruptores electrostáticos, en lugar de los clásicos "botones" electromecánicos que actúan por presión mediante piezas móviles.

1.1.12. Desfasadores de línea (Corrección del "factor de potencia")

En un circuito AC (de corriente alterna de 50 ó de 60 Hz) hay que distinguir entre dos potencias: Potencia media que se calcula como la media de la potencia instantánea P(t) en un período, y que representa la potencia realmente utilizada por la maquinaria, que suele especificarse en watt (W); y Potencia aparente que es el producto de los valores eficaces (RMS, root mean square) de la corriente y el voltaje.La capacidad que se puede agregar a la instalación (para disminuir la fase φ) no es arbitraria. El factor de potencia está limitado legalmente, ya que el exceso de capacitores en la red podría ocasionar transitorios de corrientes muy altos durante la puesta en marcha de la industria, haciendo "saltar" la red eléctrica de una parte de la ciudad durante la sobrecarga.

1.1.13. Sensores y Transductores

Como transductores entre ondas acústicas y eléctricas, elementos capacitivos se usan como emisores y como receptores de ecógrafos en medicina y de sonares en biología marina. En audio se usan en los antiguos fonocaptores ("cápsulas de cristal y cerámicas"), en micrófonos cerámicos y en altavoces de agudos ("tweeters").También se usan con piezoeléctricos en micro-manipuladores de microscopios y en cubas de limpieza por ultrasonido.

Como sensores se utilizan en varios tipos de medidores, como por ejemplo de presión, tensión y aceleración. También se usan en sistemas microelectromecánicos (MEMs, MicroElectroMechanical Systems) con dispositivos cuyo tamaño es del orden de 0.01 mm.

Página 8 de 40



1.2.DE QUÉ ESTÁ HECHO

Un capacitor está construido con dos electrodos, placas o "armaduras" metálicas muy próximas, separadas por un aislante denominado "dieléctrico", que puede ser el aire, un líquido, aceite, pasta, papel con parafina o cera, o un sólido rígido.

Los capacitores "electrolíticos" tienen polaridad, es decir, un terminal (indicado como "-") debe estar siempre a igual o menor potencial que el otro terminal (correspondiente a "+"). En estos capacitores, el dieléctrico es generalmente un electrolito líquido viscoso o una pasta salina. Se usan para tener mayor capacitancia.

Los dieléctricos sólidos rígidos pueden ser de materiales cerámicos como por ejemplo mica, vidrio, compuestos de tantalio, porcelana, o bien de polímeros como poliester (mylar), poliestireno, policarbonato, polipropileno o teflon.

Para lograr mayores capacitancias, debe aumentar la inducción electrostática, ya sea por aumento de superficie y/o proximidad de las superficies de las placas. Para esto se hacen condensadores tubulares o enrollados de diferentes formas, con más de una lámina en cada electrodo. También se usan los electrolíticos, y otros sin polaridad pero con dieléctricos cerámicos ferroeléctricos de altísima constante dieléctrica.

El tamaño del capacitor depende principalmente de tres parámetros: de la capacidad C, del voltaje máximo (ΔV)max, y de la constante dieléctrica ke del dieléctrico (Fabricando capacitores con materiales dieléctricos de altos valores de ke se reduce el tamaño). En particular, en computación y sistemas digitales portátiles o miniaturizados (memorias, pendrives, MP3, etc.) se usan cerámicas avanzadas ferroeléctricas de altísimas constantes dieléctricas.

1.3.CÓMO FUNCIONA

1.3.1. Porqué se carga un capacitor (Descripción cualitativa):

Para ver cómo funciona un capacitor, primero hay que ver por qué se carga. Y para esto, hay que tener presente que los conductores tienen ciertas características particulares, que en este contexto se pueden resumir como sigue:

(a) Los conductores (en general metales puros o aleaciones) son materiales con electrones libres, lo que significa que bajo la presencia de un campo eléctrico, estas cargas negativas pueden trasladarse con cierta facilidad, y pueden hacerlo macroscópicamente en todo el material.

Página 9 de 40



(b) En el interior de un conductor en equilibrio electrostático, no puede haber campo eléctrico neto (pues sino, las cargas se acelerarían y no habría equilibrio). Entonces,

Einterior = 0 V/m (Interior de un conductor en condiciones electrostáticas)

(c) Por lo anterior, cualquier zona del conductor con exceso o defecto de cargas (o sea, en un conductor cargado y/o bajo inducción eléctrostática), este exceso debe estar en las superficies exteriores y/o interiores del conductor (Esto se demuestra formalmente con el Teorema de Gauss, derivado de una de las 4 Ecuaciones de Maxwell, o Leyes Fundamentales del Electromagnetismo).

A partir de estas observaciones, se puede explicar porqué se carga el capacitor. Consideremos (para fijar ideas) un capacitor formado por dos placas paralelas de superficie A en cada cara, y separadas una pequeña distancia d. El capacitor se encuentra inicialmente descargado y entonces se lo conecta a una fuente de voltaje ΔV a través de un resistor de resistencia eléctrica R.

Debido al voltaje de la fuente, dentro del conductor que une las placas a través de la fuente y el resistor, se crea un vector campo eléctrico E que se dirige hacia la placa "+" (que es la placa conectada al borne positivo "+" de la fuente). Este campo es atractivo para cargas negativas y repulsivo para cargas positivas.

Entonces, el campo eléctrico dentro del conductor induce una fuerza atractiva sobre los electrones libres de la placa "+". Debido a esa fuerza, algunos electrones libres abandonan la cara interna "+", dejando el equivalente a una carga Q > 0 C, depositada en la cara interna de la placa "+" (en las partes interiores de placas y de alambres no puede haber carga neta).

El mismo campo E que dentro del material en el lado "+" del circuito induce una fuerza atractiva, del otro lado, en el lado "-", induce una fuerza repulsiva sobre los electrones libres que van pasando a través de la fuente. Esto hace que la carga -Q de electrones que migraron desde la armadura "+" se aloje en la cara interior de la placa "-".

De este modo, se tienen cargas opuestas sobre las superficies internas (enfrentadas) de las placas del condensador, con un campo eléctrico que va desde "+" hacia "-". Las cargas no pueden saltar de una placa a la otra debido a la existencia del dieléctrico (que es un material aislante).

Esta redistribución de cargas fue inducida por campo eléctrico. El proceso de inducción eléctrica se detuvo cuando el campo creado por esta distribución de cargas compensa al campo debido a la fuente externa (es decir, cuando el voltaje de la fuente es exactamente el voltaje en el capacitor). Entonces cesa la corriente i de cargas, y sobre el resistor ya no hay diferencia de potencial. Cuando no hay más movimiento de cargas (i = 0 A), ha terminado

Página 10 de 40



la carga del capacitor.

Finalmente hay que destacar que debido a la resistencia R de los conductores entre la fuente de voltaje y las placas del capacitor, para cargarlo moviendo las cargas negativas desde una placa hasta la otra, la fuente tuvo que realizar un trabajo, gastando energía (generalmente electroquímica) que tuvo que tomar de su interior, convirtiéndola en energía eléctrica, que se disipa en R a un ritmo dado por la Ley de Joule (i2R).

1.3.2. Conservación de la carga eléctrica (en la carga y en la descarga de un capacitor)

En la Naturaleza se observa que hay ciertas leyes de conservación que deben cumplirse en los procesos físicos. Por ejemplo, la carga eléctrica no puede crearse ni desaparecer, es decir, existe un Principio de conservación de la carga eléctrica, que durante la carga y descarga de los capacitores también se debe cumplir. Supongamos que tenemos un capacitor cargado con carga Q y que juntamos los terminales (o sea, que lo "cortocircuitamos"). Vemos una chispa y posteriormente el capacitor queda descargado. ¿Qué sucedió con la conservación de la carga eléctrica?

Este problema se responde viendo cómo funciona un capacitor. Las placas metálicas del capacitor inicialmente son neutras, es decir, no hay ni exceso ni defecto de electrones libres. Por lo tanto, en cada armadura se tiene 0 coulomb, y entonces, la carga eléctrica del conjunto de placas, es también 0 C (i.e., el capacitor está descargado).

Pero cuando se dice que el capacitor fue cargado y que tiene carga Q, significa que una placa tiene tiene un exceso de carga Q y a la otra le falta exactamente esa carga, o sea que la otra placa tiene una carga -Q. Por lo tanto, la carga neta y total en las dos armaduras del capacitor cargado, o cargándose, o descargándose nunca dejó de ser cero coulomb.

Es decir, la energía potencial eléctrica acumulada en un capacitor cargado no se debe a la carga neta total (la que sigue siendo 0 C), sino que la energía corresponde a la separación de cargas, electrones que se fueron de una armadura y que están en la otra, produciendo un campo eléctrico en una cierta región del espacio. En esa distribución de campo eléctrico está la energía potencial electrostática.

1.3.3. Efecto del dieléctrico (Descripción cualitativa)

Al agregar un dieléctrico, siempre hay aumento de la capacidad. Para verlo hay que considerar que el material del dieléctrico se polariza generando un campo eléctrico que se opone al campo eléctrico exterior. Por lo tanto, si se mantiene al condensador aislado (carga Q0 constante), al agregar el dieléctrico, el campo

Página 11 de 40



en el interior del condensador, y el voltaje en los terminales, disminuyen.

Pero por otro lado hay que ver que si se mantiene constante al voltaje V0 aplicado sobre el capacitor, el campo en el interior no cambia (haya o no dieléctrico). Por lo tanto, para que el campo en el interior sea el mismo cuando existe el dieléctrico, debe haber una cantidad mayor de carga Q en las placas, que compense la tendencia del material a disminuir el campo. Entonces, la capacitancia del capacitor es mayor cuando tiene dieléctrico (C0 < C).

1.3.4. Efecto del dieléctrico (cuantitativamente)

La relación más general del capacitor ideal con dieléctrico se obtiene usando el vector desplazamiento eléctrico D en el Teorema de Gauss generalizado, para un dieléctrico lineal e isótropo donde D = εE0. En este caso

Q = ε E0 A = ke ε0 E0 A = ke Q0

Por otro lado, como sigue siendo ΔV = V0 = constante, se tiene

ΔV = E0 d

Entonces, dividiendo estas últimas expresiones se tiene la capacidad eléctrica del capacitor ideal de placas planas paralelas con dieléctrico de constante dieléctrica ke ≡ ε/ε0:

C = Q/ΔV = ε A/d = ke C0

Por lo tanto si se comparan 2 capacitores ideales de placas paralelas, idénticos, inicialmente ambos con aire ("sin dieléctrico") y posteriormente a uno de ellos se le coloca un dieléctrico, se tiene que:

a) La capacidad eléctrica aumenta en el que tiene dieléctrico exactamente en un factor dado por la constante dieléctrica:

C = C0 ke

donde C0 es la capacitancia en el capacitor ideal sin dieléctrico.

b) Si se cargan con el mismo voltaje V, la intensidad E del campo eléctrico E en el interior del dieléctrico también resulta igual en ambos, pero la carga aumenta en el que tiene dieléctrico exactamente en un factor dado por la constante dieléctrica:

Q = Q0 ke

donde Q0 es la carga en el capacitor ideal sin dieléctrico.

Página 12 de 40



c) Si se cargan con la misma carga electrostática Q, la intensidad E del campo eléctrico E en el interior del dieléctrico, decrece exactamente en un factor dado por la constante dieléctrica:

E = E0/ke

donde E0 es la intensidad del campo en el capacitor ideal sin dieléctrico. Por lo tanto, lo mismo sucede con el voltaje:

V = V0/ke

En general, para un capacitor que no sea ideal y/o que no sea de placas planas paralelas, el efecto del dieléctrico se puede resumir como sigue:

(1) El dieléctrico siempre aumenta la capacidad eléctrica en un factor relacionado con ke; (2) Para un mismo voltaje, el dieléctrico aumenta la carga en el mismo factor; y (3) Para una misma cantidad de carga acumulada, el dieléctrico disminuye la intensidad de campo eléctrico en el interior del dieléctrico (y disminuye el voltaje sobre el capacitor) en un factor relacionado con 1/ke.

1.4. Capacitores conectados en paralelo entre sí

La capacidad de acumular carga se debe al fenómeno de inducción electrostática entre conductores. Por lo tanto, aumentar el área de proximidad entre conductores, aumenta la capacidad de inducción, y entonces la capacidad eléctrica. Esto se vio explícitamente en la expresión de la capacidad de un capacitor ideal de placas paralelas donde C = ε A/d.

Esta expresión también permite entender lo que sucede si se colocan capacitores de capacidades C1, C2, C3, ... conectados en paralelo, es decir, donde el voltaje sobre cada capacitor es igual al voltaje del conjunto, en todo instante de tiempo:

Vparalelo = V1 = V2 = V3 = ...

Es como aumentar la superficie, y por lo tanto, la carga total acumulada es la suma de las cargas individuales:

Qparalelo = CparaleloVparalelo = Q1 + Q2 + Q3 + ...

Página 13 de 40



Entonces, la capacitancia equivalente del conjunto en paralelo resulta:

Cparalelo = C1 + C2 + C3 + ...

1.5.Capacitores conectados en serie entre sí

Debido a que la capacidad de acumular carga se debe al fenómeno de inducción electrostática entre conductores, también se ve que al aumentar la distancia d de separación de las placas entre conductores, disminuye la capacidad de inducción, y entonces disminuye la capacidad eléctrica C = ε A/d. La misma expresión también muestra lo que sucede si se colocan capacitores de capacidades C1, C2, C3, ... conectados en serie, es decir, donde los voltajes se suman:

Vserie = Qserie/Cserie = V1 + V2 + V3 + ...

Hay que observar que al estar conectados en serie, la corriente es igual en cada capacitor, y entonces, la variación de carga también debe ser la misma. Por lo tanto, todos los capacitores en serie se cargan (o descargan) en la misma cantidad en todo instante de tiempo. Por lo tanto, la carga final también será igual en cada capacitor:

Qserie = Q1 = Q2 = Q3 = ...

Entonces, reemplazando se obtiene la expresión de la capacitancia equivalente en serie:

1/Cserie = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...

o bien:

Cserie = [1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...]-1

1.6. Cómo se carga un capacitor (Circuito RC-serie en régimen transiente)

Al colocar una fuente de corriente continua (DC) de voltaje VDC a través de una resistancia R, para cargar un capacitor en el instante t0 = 0

Página 14 de 40



s, semicualitativamente se puede ver lo siguiente:

Desde t0, en todo instante t el voltaje de la fuente se repartirá entre la resistencia y el capacitor (Ley de voltajes de Kirchhoff):

VDC = VR(t) + VC(t) = Ri(t) + Q(t)/C

siendo la corriente i(t) igual a la variación de carga en el capacitor, que matemáticamente se puede expresar:

i(t) ≡ ΔQ(t)/Δt (Δt → 0s)

Inicialmente, en el primer instante (t0 = 0 s), el voltaje inicial en el capacitor es VC(0s) = 0 V, correspondiendo al capacitor inicialmente descargado, es decir con carga inicial Q(0s) = 0 C. Por lo tanto, la corriente inicial está determinada por la fuente y la resistencia:

i(0s) = VDC/R

Posteriormente comienza a cargarse. Durante esta carga el voltaje sobre R disminuye, y por lo tanto disminuye del mismo modo la corriente. Esto finaliza cuando se alcanza el estado estacionario (t → ∞), con el capacitor cargado al voltaje de la fuente:

i(∞) = 0 A

VC(∞) = VDC

Q(∞) = C VC(∞) = C VDC

Se muestra que en la carga del capacitor el tiempo está escalado por la constante de tiempo τ = RC, que el decrecimiento de esta corriente es exponencial, y que el estado estacionario en la práctica se puede considerar alcanzado con tiempos superiores a unas 5 constantes de tiempo, cuando queda menos del 1% de la corriente inicial (y cuando falta menos del 1% para alcanzar el voltaje de la fuente). La misma variación exponencial se obtiene al estudiar la descarga del capacitor.

Página 15 de 40



2. Ultra Capacitores

Los Supercondensadores, a veces llamados

supercondensadores o condensador eléctrico de doble capa (EDLC) o

pseudocapacitores, pertenecen a la familia de condensadores

electroquímicos. La principal diferencia con respecto a los condensadores

típicos se basa en que el valor de la capacitancia de un condensador

electroquímico se determina por dos principios de almacenamiento, ambos de

los cuales contribuyen a la capacitancia total del condensador:

Doble capa de capacitancia electroestática

Pseudocapacitancia

La relación del almacenamiento resultante de cada principio puede variar

mucho, dependiendo del diseño del electrodo y de la composición de

electrolito.

2.1.Clasificación

Página 16 de 40



Los supercondensadores se dividen en tres familias, basado en el diseño de

los electrodos:

Condensadores de doble capa con electrodos de carbono

Pseudocapacitores: con electrodos de metales óxidos o polímeros

conductores con una alta cantidad de pseudocapacitancia farádica

Capacitores híbridos: condensadores con electrodos especiales y

asimétricos que presentan tanto características de capacidad de doble

capa y pseudocapacitancia, tales como condensadores de iones de litio

2.2.CaracterísticasLos Supercondensadores intentan cerrar la brecha entre los condensadores

convencionales y las baterías recargables. Estos tienen los valores de

capacidad disponibles más altos por unidad de volumen y la mayor densidad

de energía de todos los condensadores. Se admiten hasta 12.000 faradios / 1,2

voltios, con valores de capacidad de hasta 10.000 veces el de los

condensadores electrolíticos. Si bien los supercondensadores existentes tienen

densidades de energía que son aproximadamente el 10% de una batería

convencional, su densidad de energía es por lo general 10 a 100 veces mayor.

La densidad de potencia se define como el producto de la densidad de energía,

multiplicado por la velocidad a la que la energía se entrega a la carga. Esto

resulta es en ciclos más cortos de carga/descarga que los tiempos

comparables de las baterías convencionales. Y a la vez mayor tolerancia a

numerosos ciclos de cargas/descarga que agrandan la vida útil.

Página 17 de 40

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Supercapacitors-Short-Overview.png



2.3.Aspecto

2.3.1. Aspecto Teorico

1) Bateria2) Colectores3) Electrodo Polarizado4) Capa Doble de Helmholtz5) Electrolito con Iones negativos y positivos6) Separador

Página 18 de 40



2.3.2. Aspecto Real

2.4.Principios de Funcionamiento

2.4.1. Doble capa de capacitancia electroestática

Se basa en el principio descubierto por Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, al aplicar un voltaje a la estructura del superconductor causa dos capas de iones que se generan. Una de las capas es la que se forma en el electrodo, la otra con polaridad opuesta, se conforma con los iones del electrolito.Ambas capas de iones opuestos están separadas por una monocapa de moléculas aislantes del solvente, comúnmente agua. Esta monocapa se llama comúnmente IHP (Plano Interno de Helmholtz) y forma un dieléctrico molecular.A la vez la cantidad de carga en el electrodo tiene la misma magnitud que las contra-cargas en la OHP (Plano Externo Helmholtz), este fenómeno de utiliza para guardar cargas eléctricas como cualquier capacitor convencional.La carga acumulada en la doble capa forma un campo eléctrico estatico en la capa molecular IHP que corresponde a la fuerza del voltaje aplicado.

Debido al ancho formado por el IHP (extremadamente pequeño), se genera un campo electrico extremadamente fuerte.Por ejemplo, aplicando una diferencia de potencial de 2V se obtiene:

Página 19 de 40



Para comparar contra un condensador convencional y obtener resultados comparativos, al voltaje de de 6.3 V: 6.3 V/8.8 nm = 716 kV/mm

El orden de magnitud es del orden de 7 veces menos incluso aplicando mayor voltaje.

2.4.2. Pseudocapacitancia

La pseudocapacitancia también se da en la doble capa de Helmholtz, esta se da a través de los iones del electrolito, que funcionan como donantes de electrones para con los átomos del electrodo, formando así una corriente farádica. Dicha transferencia de carga farádica genera reacciones redox, electroabsorciones o intercalaciones sobre el electrolito y la superficie del electrodo, esto en si mismo se llama pseudocapcitancia.

Página 20 de 40



2.5.Materiales Utilizados

2.5.1. Electrodos Carbon Activado, ambiente friendly, se extrae de cocos.

Grafeno: es carbón, ancho como un atomo, altísima conductividad.

2.5.2. Electrolito Basados en Carbono activo: 160 F/g Organicos: 100 F/g

2.5.3. Separador Polyacrylonitrile

Página 21 de 40



Kapton

2.5.4. Colectores

Aluminio

2.6.Parámetros Eléctricos

Energía otorgada por un Superconductor

Resistencia Interna

Densidad de Poder

Página 22 de 40



2.7.Ciclo de Vida de un UltraCapacitor

2.8.Comparación de UltraCapacitores Actuales

Manufacturer

Series

name

Capacitance

range

( F)

Cell

voltage

(V)

ESR-

at Cmax

(mΩ)

Volumetric

energy-

density

(Wh/dm3)

Gravimetric

energy-

density

(Wh/kg)

Remarks

APowerCap APowerCap 4…550 2.7 - - 4.5 -

AVX BestCap 0.068…

0.56

3.6 - 0.13 - Module

s up to

16 V

Cap-XX Cap-XX 0.16…2.4 2.75

…

2.75

14 1.45 1.36 -

Página 23 de 40



CDE Ultracapacit

or

0,1…

3000

2.7 0.29 7.7 6.0 -

Cooper PowerStor 0.1…400 2.5…

2.7

4.5 5.7 - -

Elna DYNACAP

POWERCA

P

0.047…

300

2.5...

3.6

2.5

8.0

3.0

5.4

5.3

-

-

-

-

Elton Supercapaci

tor

1800…

12000

1.5 0.5 6.8 4.2 Module

s up to

29 V

Evans Capattery 0.001…

10

125 200 - - Hybrid

capacit

ors

HCC HCAP 0.22…

5000

2.7 15 10.6 - Module

s up to

45 V

FDK EneCapTen 2000 4.0 - 25 14 LI-Ion-

capacit

ors

Illinois Supercapaci

tor

1…3500 2.3…

2.7

0.29 7.6 5.9 -

Ioxus Ultracapacit

or

100…

3000

220…

2.7

2.3

0.26 7.8

8.7

6.0

6.4

-

Página 24 de 40



1000

JSR Micro Ultimo 1100…

3300

3.8 1.2 20 12 Li-Ion-

capacit

ors

Korchip STARCAP 0.01…

400

2.7 12 7.0 6.1 Module

s up to

50 V

Liyuan Supercapaci

tor

1…400 2.5 10 4.4 4.6 -

LS Mtron Ultracapacit

or

100…

3000

2.8 0.25 6.0 5.9 Module

s up to

84 V

Maxwell Boostcap 10…3000 2..2…

2.7

0.29 7.8 6.0 Module

s up to

125 V

Murata EDLC 0.35…0.7 2.1 30 0.8 - -

NEC Supercapaci

tor

LIC

Capacitor

0.01…

100

1100…

1200

2.7

3.8

30,00

0

1.0

5.3-

-

4.2

-

-

Li-Ion-

capacit

ors

Nesscap EDLC,

Pseudocapa

citor

3…60

50…300

2.3

2.3

35

18

4.3

12.9

3,3

8.7

Module

s up to

125 V

Página 25 de 40



Nichicon EVerCAP 0,47…

6000

2.5…

2.7

2.2 6.9 4.0 -

NCC, ECC DLCCAP 350…

2300

2.5 1.2 5.9 4.1 Module

s up to

15 V

Panasonic Goldcap 0.015…

70

2.1…

2.3

100 3.4 - -

Samwha Green-Cap 3…3000 2.7 0.28 7.7 5.6 Module

s up to

125 V

Skeleton SkelCap 900…

3500

2.85 0.2 14.1 10.1 -

Taiyo Yuden PAS

Capacitor

LIC

Capacitor

0.03…50

0.25…

200

2.5…

3.0

3.8

70

50

6.1

-

-

-

Pseudo

capacit

ors

Li-Ion-

capacit

ors

VinaTech Hy-Cap 1.5…800 2.3…

3.0

10 8.7 6.3 -

WIMA SuperCap 12…6500 2.5…

2.7

0.18 5.2 4.3 Module

s up to

112 V

YEC Kapton 0.5…400 2.7 12 7.0 5.5 -

Página 26 de 40



capacitor

Yunasko Ultracapacit

or

480…

1700

2.7 0.17 6.1 5.8 -

2.9.Comparación entre Tipos de Ultracapacitores

ParameterSupercapacitors

Double-layercapacitors

formemory backup

Super-capacitorsfor power

applications

Pseudo andHybrid

capacitors(Li-Ion

capacitors)

Temperaturerange (°C)

−20 to +70 −20 to +70 −20 to +70

Cellvoltage (V)

1.2 to 3.3 2.2 to 3.3 2.2 to 3.8

Charge/dischargecycles

105 to 106 105 to 106 2 • 104 to 105

Capacitance range(F)

0.1 to 470 100 to 12000 300 to 3300

Energy density(Wh/kg)

1.5 to 3.9 4 to 9 10 to 15

Power density 2 to 10 3 to 10 3 to 14

Página 27 de 40



(kW/kg)

Self discharge timeat room temperature

middle(weeks)

middle(weeks)

long(month)

Efficiency (%) 95 95 90

Life timeat room temperature

(Years)

5 to 10 5 to 10 5 to 10

3. Comparación Capacitores/Ultra Capacitores Vs Baterias

Una batería está compuesta de celdas electroquímicas, Estas celdas consisten en dos electrodos separados por una distancia, el espacio entre ellos se rellena con un electrolito, que es un compuesto que convierte en iones cuando es disuelto en cierto solvente, como acido de batería. Uno de estos electrodos permite a los electrones fluir fuera del mismo mientras el otro los recibe. La energía se almacena en el compuesto que crea los electrones.

Los ultracapacitores tienen dos materiales conductivos (generalmente placas de metal) que están recubiertas con carbón activados y son sumergidos en un electrolito. Una de estas placas tiene iones positivos, mientras la otra tiene iones negativos. Mientras se carga, estos iones se acumulan en la superficie de cada una de las placas.Para almacenar energía, cada electrodo tiene dos capas de carga en su superficie. Por lo tanto, un ultracapacitor es como tener dos capacitores regulares. Por esto es que a los ultracapacitores se los denomina capacitores de dos capas.

Página 28 de 40



Los ultracapacitores son uno de los mejores dispositivos para entregar energía de forma veloz. Como un ultracapacitor almacena la energía en un campo eléctrico, en lugar de una reacción química, pueden sobrevivir cientos de miles de ciclos de cargas y descargas más que una batería convencional.

A diferencia de los capacitores y los ultracapacitores, las baterías almacenan la energía en una reacción química. Los iones son insertados en la estructura subatómica de un electrodo. Por el contrario en un ultracapacitor, los iones simplemente se adhieren.Esta es una distinción importante, ya que almacenar energía sin una reacción química permite a los ultracapacitores la carga y descarga mucho más veloz que las baterías.

Además, como los capacitores no sufren las consecuencias de las reacciones químicas, pueden durar mucho más tiempo.

A pesar de ofrecer un gran salto sobre los capacitores regulares, los ultracapacitores todavía se quedan detrás de las baterías en relación a la capacidad de almacenamiento de energía.Los ultracapacitores, que son mucho más caros por unidad que las baterías, solo pueden almacenar un 5% de la energía que puede almacenar una batería de lithium-ion.Esto es problema fatal para muchos escenarios donde se desean reemplazar las baterías por ultracapacitores.

Página 29 de 40



Seria técnicamente posible, por ejemplo, utilizar ultracapacitores en lugar de baterías de lithium-ion en un teléfono celular, con alguna beneficios importantes.Nunca se tendría que reemplazar los ultracapacitores, a diferencia de las baterías que suelen perder su capacidad de almacenamiento con el tiempo. Y además el teléfono se recargaría muy rápido.Pero con los ultracapacitores actuales, el teléfono no podría estar cargado durante mucho tiempo, entre 90 min y 5 horas máximo.

Los ultracapacitores son muy efectivos, sin embargo, aceptando o entregando energía de forma repentina, lo que los hace buenos compañeros para las baterías de lithium-ion.Por ejemplo, en un auto eléctrico, un ultracapacitor puede proveer la energía necesaria para la aceleración, mientras que la batería provee más rango y recarga el capacitor entre entregas de energía.

En términos más simples. Se puede pensar el ultracapacitor como un balde pequeño con una abertura grande. El agua puede fluir hacia adentro o afuera muy rápido, pero no hay mucha cantidad de la misma.Una batería, por el contrario, es como un balde muy grande, con una abertura muy pequeña. Puede contener mucha agua, pero toma mucho más tiempo que el agua circule por la abertura, ya sea hacia adentro o hacia afuera.

Existen algunas limitaciones inherentes a la tecnología de los capacitores.

La densidad de energía de un ultracapacitor palidece contra las baterias de lithium-ion, que es la tecnología utilizada hoy en dia en teléfonos y laptops.Las baterías almacenan tal vez 20 veces más energía que un supercapacitor, para un tamaño y peso dado.Esto significa que el iphone 5 debería ser 2 o 3 pulgadas más grueso para contener un supercapacitor,

Página 30 de 40



Una batería puede producir y almacenar electrones, mientras que un capacitor solo los almacena.Mientras que una batería puede entregar energía durante el curso de varias horas, los capacitores se descargan en cuestión de segundos.Esto permite a los capacitores ser usados en lugares que requieren descarga de energía muy veloz, como los flashes de las cámaras, mientras que para el suministro de energía para de los dispositivos electrónicos se utilizan baterías.

Los ultracapacitores también tienen baja densidad de energía y pueden contener solamente de 1/5 a 1/10 de energía que una batería.Los ultracapacitores son dispositivos de bajo voltaje, para lograr un voltaje práctico de trabajo, varios deben ser combinados.Finalmente, la producción en masa de ultracapacitores no es efectiva desde el punto de vista de la inversión económica.Por ejemplo, para utilizar ultracapacitores para cargar una laptop, se deberían invertir cientos de dólares en docenas de ultracapacitores. Una vez conectados juntos, estos capacitores en serie crearían una laptop que ya no podría ser móvil.

Debido a estas limitaciones, la utilización de capacitores en los dispositivos móviles y del hogar todavía no es factible.

4. Uso de Capacitores/Ultra Capacitores

Página 31 de 40



Los capacitores se emplean en un sinnúmero de aplicaciones dentro del campo de la Electricidad y la Electrónica, siendo probablemente luego de las resistencias uno de los componentes mas empleados. Se utilizan en circuitos temporizadores, filtros en circuitos de radio y TV, fuentes de alimentación, arranque de motores, corrección del coseno de fi en corriente alterna, etc.

4.1.MemoriasEn esencia, el principio que permite a la memoria RAM almacenar información es muy sencillo. Los chips de RAM contienen millones de capacitores, cada uno de ellos en combinación con un transistor. Cada capacitor almacena un bit de información, según esté cargado eléctricamente o no. El transistor opera como un interruptor que cambia el estado del capacitor que tiene asignado, de manera dinámica, de acuerdo con las instrucciones que reciba del microprocesador.

4.2.Filtros.El condensador permite el paso de la corriente alterna pero no el de la continua. En los circuitos con transistores éstos deben ser estabilizados para corriente continua con resistencias, pero se les coloca condensadores en paralelo para permitir el paso de la corriente alterna libremente.Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros componentes.

4.3.Demodular AM, junto con un diodo.

Página 32 de 40



Ejemplo de un circuito para el filtro de media onda

El flash electrónico, que provoca una descarga de la electricidad acumulada en un condensador en una lámpara de xenón. Una vez cargado el condensador, su disparo es instantáneo y debe estar bien sincronizado con la apertura del obturador.

Tubos fluorescentes. Una lámpara fluorescente utiliza un condensador para evitar que el circuito eléctrico esté desfasado y se desperdicie energía.

Circuitos de tiempo. Utilizando la combinación resistencia y condensador se utiliza el tiempo de carga y/o descarga del condensador.

Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.

Disminuir el consumo de intensidad en las instalaciones eléctricas Industriales y mejorar el coste del consumo.

Permitir el arranque de motores.

Un capacitor, conectado a una bobina separada en el motor, crea una corriente eléctrica alternante delante de la fase principal por 90 grados. Esto sucede porque la corriente a través del capacitor conduce el voltaje por 90 grados. Durante el arranque de un motor, un interruptor conecta un capacitor y una bobina especial de arranque al motor. Luego de que el motor alcanza la velocidad de operación, el interruptor desconecta el capacitor. Si el capacitor permanece conectado al motor, coloca un peso sobre la eficiencia del motor.

Página 33 de 40



4.4. Baterías de Condensadores Las baterías de condensadores se utilizan para la compensación de la energía reactiva en instalaciones de baja tensión. Permiten:

La reducción de la factura de la Electricidad La mejora del rendimiento de la instalación, ahorrando en inversiones

para ampliación de líneas protecciones y cuadros en general La disminución de la energía necesaria para el funcionamiento de las

empresas se contribuye a la mejora del medioambiente, al ser menor la cantidad demandada a la red.

Ayudar a convertir la tensión alterna en continua (rectificación) para laalimentación de las placas de circuito impreso presentes en casi todos losdispositivos electrónicos (ordenadores, monitores, equipos Hi-Fi, DVD´s,etc). Se utilizan condensadores electrolíticos con polaridad asignada.

Filtrar un margen de frecuencias concreto en señales tipo multifrecuencia (ecualización de graves, medios o agudos en aplicaciones de audio).

Variar la frecuencia con la cual un circuito sintonizador, selecciona unafrecuencia de todas las comprendidas en la señal multifrecuencia querecibe (antena). Esto lo consigue un condensador de capacidad variable al variar la rosca del dial, con lo cual sintonizamos la emisora deradio que queremos.

Eliminar la componente continua indeseable de algunas señales (fig. 17)

Página 34 de 40



Fig. 17.- Filtrado de una comp. continua mediante condensador de desacoplo

4.5.Aplicaciones de los ultracapacitores en la actualidad.

La investigación en ultracapacitores se encuentra motivada por las enormes ventajas que su uso representa para el desarrollo de circuitos eléctricos:

Gran período de operación. Capacidad de manejar altos valores de corriente. Valor de carga fácil de monitorear. Alta eficiencia. Gran rango de voltaje. Gran rango de temperatura. Ciclos de funcionamiento largos. Facilidad de mantenimiento.

4.6.ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA.Uno de los usos más extendidos de supercapacitores es en el uso de sistemas microelectrónicos, memorias de computadoras, relojes y cámaras de alta precisión. El uso de supercapacitores permite mantener el funcionamiento de los dispositivos durante horas e incluso días. Una aplicación estudiada ampliamente en la actualidad es el uso de supercapacitores en sistemas UPS (sistema de energía ininterrumpible), permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas eléctricos.

4.7.SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE POTENCIA.Los supercapacitores son de gran importancia para la transferencia de energía. Los sistemas STATCOM (Compensadores Estáticos) son dispositivos de transmisión de corriente flexible alternante, y se utiliza para el control de los picos de voltaje en sistemas eléctricos. Su uso permite mantener una corriente

Página 35 de 40

http://www.monografias.com/trabajos14/control/control.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/computadoras/computadoras.shtml

http://www.monografias.com/trabajos16/memorias/memorias.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/mantenimiento-industrial/mantenimiento-industrial.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/veref/veref.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos34/circuitos-electricos/circuitos-electricos.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/desorgan/desorgan.shtml



constante y menores picos de voltaje para facilitar la transmisión de la energía eléctrica.Los ultracapacitores prometen llenar la brecha entre los capacitores y baterías.

5. Futuro de Capacitores/Ultra Capacitores

Cotidianamente utilizamos baterías para alimentar nuestros dispositivos móviles, las cuales, tardan mucho en recargarse por el rendimiento que dan. En este terreno los capacitores poseen una gran ventaja ya que, se cargan rápidamente pero, por contra, tienen una capacidad muy limita a la hora de almacenar cargas eléctricas. En la actualidad, los ultracapacitores, son capaces de almacenar grandes cantidades de energia pero, se descargan rápidamente y, dado a los materiales utilizados su relacion peso/volumen no han logrado reemplazar a las baterías.Sin embargo, lo mencionado podría cambiar en algunos años. Laboratorios en todo el mundo se encuentran desarrollando ultracapacitores compuestos por grafeno, permitiendo unificar lo mejor de ambos mundos, gran capacidad para almacenar energía y tiempos de caga muy reducidos.

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Posee varias propiedades entre las cuales podemos detallar las siguientes: transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, buen conductor electrico, autoenfriamiento, genera energía al ser alcanzado por la luz, bajo efecto Joule (se calienta poco al conducir los electrones), auto reparación (cuando una lamina de grafeno recibe algún daño en su estructura, atrae átomos de carbono de las proximidades para repararse) y soporta temperaturas elevadas de trabajo.

Página 36 de 40



Este nuevo material, podría cambiar lo que conocemos como ultracapacitores, algunos laboratorios han indicado que, so podrían obtener elementos sin limitación del numero de ciclos de carga y descarga pudiendo garantizar, mas de 10.000.000 de ciclos.

Los investigadores de ultracapacitores se encuentran motivados por las enormes ventajas que su uso representa para la industria:

1. Gran período de operación2. Capacidad de manejar altos valores de corriente3. Valor de carga fácil de monitorear4. Alta eficiencia5. Gran rango de tensión6. Gran rango de temperatura7. Ciclos de funcionamiento largos8. Facilidad de mantenimiento

Página 37 de 40



Algunas de las ramas de la industria que ya se encuentran trabajando con el elemento mencionado son.

5.1.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 pruebas realizadas en 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 ultracapacitores 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.

Página 38 de 40



5.2.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 ultracapacitores suministran la energía necesaria para subir el elevador sin necesidad de sobrecargar la red eléctrica.En aplicaciones de energía solar es necesario estabilizar la tensión suministrado por las fotoceldas, por lo que se utilizarian ultracapacitores de 2400 F dispuestos en paralelo para estabilizar el suministro de energía eléctrica. De las fotoceldas 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 ultracapacitores 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.

5.3.Almacenamiento de energía

Uno de los usos más extendidos de ultracapacitores es su uso en sistemas microelectrónicos, memorias de computadoras, relojes y cámaras de alta precisión. Su uso permite mantener el funcionamiento de los dispositivos durante horas e incluso días. Una aplicación estudiada ampliamente en la actualidad es el uso de ultracapacitores en sistemas UPS unido a sistemas de transferencia de energía acoplados por inducción. Se utilizan para facilitar la

Página 39 de 40



transferencia de energía, hacer más eficiente la carga de energía eléctrica, permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas eléctricos.

5.4.Sistemas de transferencia de potencia

En el área de energía las propiedades de los ultracapacitores son de gran importancia para la transferencia de energía. Los sistemas STATCOM (Compensadores Estáticos) son dispositivos de la familia de los sistemas de transmisión de corriente flexible alternante (FACTS), y se utiliza para el control de los picos de tensión en sistemas eléctricos. Cuando se conectan con sistemas de transferencia de potencia a elementos STATCOM, se produce una gran inductancia que produce un incremento en la corriente y picos de tensión, por lo que es necesario tener condensadores de gran capacitancia para compensar este fenómeno. Su uso permite mantener una corriente constante y menores picos de tensión para facilitar la transmisión de la energía eléctrica.

Página 40 de 40

electromagnetismo.uai.edu.arelectromagnetismo.uai.edu.ar/IIC2013/EESI/Documentos 4A... · Web view= 0 A), ha terminado la carga del capacitor. Finalmente hay que destacar que debido

Documents