Vista previa del material en texto
Resumen –– Hay capacitores variables en el mercado mundial, varicaps, construidos a base de las propiedades capacitivas de los diodos semiconductores, cuya capacitancia varía hasta cerca de 400 pF en un rango de voltajes de 0 a 30 Vcd; la capacitancia disminuye como función del voltaje aplicado, nunca aumenta. Presentamos la planeación, el diseño, la construcción, y la caracterización de un novel capacitor dinámico basado en metal. Con éste logramos variaciones de capacitancia del orden 4000 pF con voltajes entre 0, ±760 Vcd. Presentamos los detalles técnicos y algunos resultados preliminares. Palabras Claves –capacitor, capacitor dinámico, varicap Abstract –– There are variable capacitors in the world market, varicaps, built on semiconductor diodes, which capacitance varies close to 400 pF inside a voltage range between 0 to 30 Vdc; capacitance always reduces as function of applied voltage, never increases. In this paper we present the planning, the design, the construction, and the characterization of a novel dynamical capacitor based on metal. With this capacitor we achieve variations on capacitance of the order of 4000 pF with applied voltage between 0, ±760 Vdc. We present technical details and some preliminary results. Keywords –– capacitor, dynamical capacitor, varicap I. INTRODUCCIÓN En el mercado mundial existen capacitores variables construidos a base de diodos semiconductores; en ellos se usan las propiedades de conducción eléctrica de los diodos para disminuir la capacitancia de la unión del diodo, cuando se les aplica un voltaje con polaridad inversa, a partir de la capacitancia lograda en la unión del diodo. Las variaciones, disminuciones, con voltajes aplicados entre 0 Vcd y 30 Vcd, son del orden de 400 pF. La capacitancia nunca aumenta con el aumento del voltaje aplicado. En el mercado mundial se le llaman varactores, o simplemente capacitores variables, varicaps[1]. La descripción técnica y científica es ampliamente discutida en otras fuentes [2-4]. No hay capacitores variables a base de metales en el mercado mundial, ni reportes en la literatura mundial. En este artículo reportamos el diseño, la construcción y la caracterización de un capacitor variable a base de metales. Éste es novedoso, tiene propiedades físicas diferentes a las del varicap, y las aplicaciones también podrían ser muy diferentes. II. METODOLOGÍA Reportamos la planeación y el diseño del capacitor variable a base de metales. A. Planeación Es un sistema capacitivo donde usamos las propiedades de conducción eléctrica de los metales, y las propiedades aislantes de los plásticos y acrílicos para conformar un sistema capacitivo. El resultado diseñado es que la capacitancia del sistema aumenta monotónicamente con el voltaje positivo aplicado y disminuye de igual forma con el voltaje negativo aplicado. B. Diseño y construcción El diseño básico está conformado por una plaquita de Al de 2 cm x 2 cm x 0.1 cm, varias películas aislantes, dos colectores y dos electrodos. Todo el sistema se encapsula. El diseño está en proceso de patente. Ver Fig. 1. El sistema está soldado y encapsulado en acrílico comercial. Le llamamos capacitor dinámico porque podemos variar la capacitancia del sistema variando el voltaje aplicado al sistema. Fig. 1. Uno de los primeros prototipos de capacitor dinámico. Conformación artesanal. Planeación, Diseño, Construcción y Caracterización de un Novel Capacitor Dinámico J. Félix1 1Laboratorio de Partículas Elementales, Departamento de Física. DCeI, CL. Universidad de Guanajuato, México Teléfono (477) 788-5100 Ext. 8844 Fax (477) 7885100 E-mail: felix@fisica.ugto.mx Este trabajo está subvencionado con fondos particulares y apoyos particulares generosos. C. Caracterización Aplicamos diferentes voltajes al sistema entre 0 V cd y ± 760 cd, con la fuente muy estable y profesional FERMILAB High Voltage calibrated DC source, Model 1570, 1-3012, 40 mV, y medimos la capacitancia del sistema con un multímetro Tektronix DMM 4050 6 ½ digital precision Multimeter. La temperatura ambiente varió entre 24 °C y 34 °C. No hubo cambios substanciales en la capacitancia del sistema por cambios en la temperatura del ambiente. El sistema no genera calor durante la operación. En la Fig. 2 mostramos otro diseño conformado por placas fenólicas. Fig. 2. Otro prototipo del capacitor dinámico a base de una placa de Al. El capacitor es el cuadro negro entre las pinzas amarillas. III. RESULTADOS Reportamos los resultados de la variación de la capacitancia como función del voltaje aplicado, resumidos en la Fig. 3. Fig. 3. Capacitancia como función del voltaje aplicado. La capacitancia es una función monotónica creciente del voltaje aplicado. Aplicamos voltajes positivos y voltajes negativos. Los errores son sistemáticos, y son del orden del 10% de la medida reportada. Los resultados son reproducibles. Se tomaron varias medidas, varias veces, y siempre resultaron estadísticamente equivalentes. No son afectadas sensiblemente por las variaciones de la temperatura del medio ambiente. El prototipo y los resultados son novedosos. No hay reportes similares en la literatura mundial. Una descripción de primeros principios la elaboremos, no hay para este tipo de capacitores variables, pero sí las hay para los varicaps [1-4]. IV. DISCUSIÓN Es un sistema capacitivo al que se le puede variar la capacitancia aplicándole un voltaje directo relativamente alto, desde voltaje negativos a positivos. Está constituido a base de metal, por ejemplo, Al, a diferencia de los varicap comerciales que están hechos a base de semiconductores [1]. El prototipo de laboratorio propuesto mide 2 cm x 2 cm x 0.5 cm. Está hecho a base de una placa de Aluminio y varias laminitas de Cu y aislantes eléctricos. Tiene algunas ventajas sobre el varicap que requerimos estudiar. La corriente eléctrica a través del capacitor es cero. Es un capacitor, no tiene otra función, por ejemplo, de diodo. No hay efectos de cambios de capacitancia por corriente a través del capacitor, como ocurre con los varicap. Es un ejemplo macroscópico de un capacitor variable a base de metal, controlado por una tensión eléctrica directa externa. No es el más eficiente, ni el único modelo. Es una demostración de que este tipo de dispositivos lo podemos diseñar en forma, tamaño, capacidad, y construir, de acuerdo a las necesidades específicas de cada situación. Los usos más comunes de este tipo de capacitores son en la recepción y transmisión de señales, radiocomunicación, circuitos de sintonía, celulares, etc. En radios, computadores, televisores, celulares, etc. Requiere de ingeniería para crear un prototipo a nivel comercial, comercializable. Debe de haber muchas posibilidades, modelos, que se pueden crear para aplicarse a situaciones concretas. Y podría ser la base para crear detectores de radiación basados en metales, hasta el momento no hay reportes [5]. V. CONCLUSIONES Presentamos el diseño, la construcción y la caracterización de un capacitor variable basado en metal. La capacitancia es función monotónica creciente (decreciente) del voltaje positivo (negativo) aplicado. Es un dispositivo novel y novedoso. No hay antecedentes a nivel mundial de éste, ni en el mercado ni en la literatura. El capacitor está en proceso de patente. REFERENCIAS [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Varicap. [2] S. Adel, S. Kenneth. Microelectronic circuits (6th ed.). Oxford University Press. New York, USA (2010). [3] Varactor Circuits http://www.radio- electronics.com/info/data/semicond/varactor-varicap- diodes/circuits.php. [4] John Linsley Hood (1993). The Art of Linear Electronics. Elsevier. p. 210. ISBN 978-1-4831-0516-1. [5] Tanabashiet al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D 98, 030001 (2018).
