UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE CIRCUITOS II PRÁCTICA N 2 MEDICIÓN DE ELEMENTOS PASIVOS OBJETIVOS - Afianzar los conceptos de inductancia y capacitancia. - Realizar el montaje de algunos circuitos básicos para realizar futuros diseños. - Mirar el comportamiento del condensador y la bobina ante una excitación senoidal. - Hallar las constantes de tiempo de algunos circuitos básicos. MARCO TEORICO EL CONDENSADOR Un condensador es un elemento de dos terminales formado por dos placas conductoras separadas por un material no conductor. La carga eléctrica se almacena en las placas y entre las placas se encuentra un material dieléctrico. El valor de la capacitancia es directamente proporcional a la constante dieléctrica y el área superficial del material dieléctrico e inversamente proporcionala su espesor. Para obtener mayor capacitancia es necesaria una estructura muy delgada con un área grande. La capacitancia para un condensador de placas paralelas se define con la expresión: A C = ε d Donde ε es la constante dieléctrica, A el área de las placas y d el espacio de separación entre las placas. 1

2 Símbolos del condensador : CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES: Capacidad nominal: Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación. Se marca en el cuerpo del componente mediante un código de colores o directamente con su valor numérico. Tolerancia: Diferencia entre las desviaciones, de capacidad, superiores o inferiores según el fabricante. Tensión nominal: Es la tensión que el condensador puede soportar de una manera continua sin sufrir deterioro. TIPOS DE CONDENSADORES: Condensadores cerámicos El dieléctrico utilizado por estos condensadores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al condensador grandes inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos: Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien definido y casi constante. Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además de presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se caracterizan por su elevada permitividad. Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias posibilidades de diseño mecánico y eléctrico. Los materiales cerámicos son buenos aislantes térmicos y eléctricos. El proceso de fabricación consiste básicamente en la metalización de las dos caras del material cerámico. Se fabrican de 1pF a 1nF (grupo I) y de 1pF a 470nF (grupo II) con tensiones comprendidas entre 3 y 10000v. Su identificación se realiza mediante código alfanumérico. Se utilizan en circuitos que necesitan alta estabilidad y bajas pérdidas en altas frecuencias. 2

3 Condensador cerámico de disco Condensador cerámico de placa Condensadores de mica El dieléctrico utilizado en este tipo de condensadores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo. Son condensadores estables que pueden soportar tensiones altas, ya que la rigidez dieléctrica que presenta es muy elevada. Sobre todo se emplean en circuitos de alta frecuencia. Se utilizan en gamas de capacidades comprendidas entre 5pf y pF. La gama de tensiones para las que se fabrican suelen ser altas (hasta 7500v). Se están sustituyendo por los de vidrio, de parecidas propiedades y más barato. Condensadores de papel El dieléctrico es de celulosa impregnada con resinas o parafinas. Destaca su reducido volumen y gran estabilidad frente a cambios de temperatura. Tienen la propiedad de autorregeneración en caso de perforación. Las armaduras son de aluminio. Se fabrican en capacidades comprendidas entre 1uF y 480uF con tensiones entre 450v y 2,8Kv. Se emplean en electrónica de potencia y energía para acoplamiento, protección de impulsos y aplanamiento de ondulaciones en frecuencias no superiores a 50Hz. 3

4 Condensadores de plástico Estos condensadores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas temperaturas de funcionamiento. Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal vaporizado en el segundo). Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales: KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico. KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno. MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado. MKY: dieléctrco de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado. MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno (poliéster). MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el dieléctrico. A nivel orientativo estas pueden ser las características típicas de los condensadores de plástico: TIPO CAPACIDAD TOLERANCIA TENSION TEMPERATURA KS 2pF-330nF +/-0,5% +/-5% 25V-630V -55ºC-70ºC KP 2pF-100nF +/-1% +/-5% 63V-630V -55ºC-85ºC MKP 1,5nF-4700nF +/-5% +/-20% 0,25KV-40KV MKY 100nF-1000nF +/-1% +/-5% 0,25KV-40KV -40ºC-85ºC -55ºC-85ºC MKT 680pF-0,01mF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºC MKC 1nF-1000nF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºC Sus características más importantes son: gran resistencia de aislamiento (lo cual permite conservar la carga gran tiempo), volumen reducido y excelente comportamiento a la humedad y a las variaciones de temperatura, además, tienen la propiedad de autorregeneración en caso de perforación en menos de 10s. Los materiales más utilizados son: poliestireno (styroflex), poliester (mylar), policarbonato (Macrofol) y politetrafluoretileno (teflón). Se fabrican en forma de bobinas o multicapas. También se conocen como MK. Se fabrican de 1nF a 100. Condensador de plástico bobinado. 1 y 2 son las dos hojas de plástico y a y b son dos hojas de aluminio enrolladas conjuntamente. 4

5 Condensadores electrolíticos En estos condensadores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos aparecen polarizados. Podemos distinguir dos tipos: -Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito de tetraborato armónico. -Electrolíticos de tántalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son menores que los de aluminio y su coste es algo más elevado. Permiten obtener capacidades elevadas en espacios reducidos. Actualmente existen dos tipos: los de aluminio, y los de tántalo. El fundamento es el mismo: se trata de depositar mediante electrolisis una fina capa aislante. Los condensadores electrolíticos deben conectarse respetando su polaridad, que viene indicada en sus terminales, pues de lo contrario se destruiría. Símbolo de un condensador electrolítico y de tántalo Condensador electrolítico Condensador de tántalo Condensadores de doble capa eléctrica Estos condensadores también se conocen como supercondensadores o CAEV debido a la gran capacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los condensadores convencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados. Las características eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como 5

6 fuente acumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños, corriente de fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión. Condensadores variables Estos condensadores presentan una capacidad que podemos variar entre ciertos límites. Igual que pasa con las resistencias podemos distinguir entre condensadores variables, su aplicación conlleva la variación con cierta frecuencia (por ejemplo sintonizadores); y condensadores ajustables o trimmers, que normalmente son ajustados una sola vez (aplicaciones de reparación y puesta a punto). La variación de la capacidad se lleva a cabo mediante el desplazamiento mecánico entre las placas enfrentadas. La relación con que varían su capacidad respecto al ángulo de rotación viene determinada por la forma constructiva de las placas enfrentedas, obedeciendo a distintas leyes de variación, entre las que destacan la lineal, logarítmica y cuadrática corregida. Constan de un grupo de armaduras móviles, de tal forma que al girar sobre un eje se aumenta o reduce la superficie de las armaduras metálicas enfrentadas, variándose con ello la capacidad. El dieléctrico empleado generalmente es aire, aunque también se incluye mica o plástico. Condensadores ajustables Denominados también trimmers, los tipos más utilizados son los de mica, aire y cerámica. 6

7 IDENTIFICACIÓN DE CONDENSADORES: 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 estos. Las principales características que nos vamos a encontrar en los condensadores 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. LAS BOBINAS 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. Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional perogeneralmente se emplean los submúltiplos µh y mη. Bobina Bobina con tomas fijas Bobina con núcleo electromagnético Bobina con núcleo ferroxcube Bobina blindada Bobina electroiman Bobina Ajustable 7

8 Bobina variable Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento. Su aplicación principal es como filtro en un circuito electrónico, denominándose comúnmente, choques. CARACTERÍSTICAS DE LAS BOBINAS: 2. Permeabilidad magnética: Es una característica que tiene gran influencia sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a los campos magnéticos. El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es. 2. Factor de calidad (Q): Relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al hilo de la misma. TIPOS DE BOBINAS: 1. FIJAS Con núcleo de aire: El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas.una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas. Con núcleo sólido: Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L. 8

9 Bobina de ferrita Bobina de ferrita de nido de abeja Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Bobinas de ferrita para SMD Bobinas con núcleo toroidal 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. Bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita 9

10 La bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista practico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor. Bobinas grabadas sobre el cobre Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo. IDENTIFICACIÓN DE LAS BOBINAS : Las bobinas se pueden identificar mediante un código de colores similar al de las resistencias o mediante serigrafía directa. Las bobinas que se pueden identificar mediante código de colores presentan un aspecto semejante a las resistencias. El valor nominal de las bobinas viene marcado en microhenrios µh. 10

11 PRÁCTICA NOMBRES: DOCUMENTO:.. Los resultados de la práctica deberán ser consignados en las hojas siguientes, y en el correspondiente espacio dejado para tal fin. Estas hojas se entregarán en el mismo momento en que se finaliza la práctica. COMPONENTES CANTIDAD DESCRIPCIÓN 1 Board (pequeño) 4 Caimanes 2 Condensadores de 1nF 2 Condensadores de 10nF 2 Condensadores de 100nF 4 Resistencias de 1K 4 Resistencias de Bobinas de 1mH 2 Bobinas de 100µH PROCEDIMIENTO A. MEDIDA DE CONDENSADORES Hacer el montaje del siguiente circuito y contestar las preguntas. - Encuentre la ecuación para el voltaje de salida - Cuál es el valor del τ del circuito? - Alimente el circuito con una señal senoidal de 5Vpp. A1. Condensadores de 1nF y resistencias de 1K - Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax, anote el resultado para cada condensador de 1nF. 11

12 C1 de 1nf C2 de 1nf Vmax c1nf = Vmax c1nf = - Divida Vmax por 2, anote el resultado. V max C1 1nf = 2 V C2 1nf max = 2 - Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote el valor mostrado en el generador. C1 1nf C2 1nf f c = f c = - La frecuencia fc se conoce como frecuencia de corte, que será vista en mayor detalle en una práctica siguiente. Es posible hallar indirectamente el valor del condesador utilizando dicha frecuencia, atraves de la relación: - 1 C = π R Anote el valor obtenido para cada condensador f c C1 1nf C2 1nf C1 = C2 = - Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador? C1 1nf Error = Error = ValorTeorico ValorMedido ValorTeorico C2 1nf Error = - Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc. f fc 5x10 5 1x10 6 2x10 6 A 12

13 - Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla? A2. Condensadores de 10nF y resistencias de 1K - Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax, anote el resultado para cada condensador de 10nF. C3 10nf C4 10nf Vmax c10nf = Vmax c10nf = - Divida Vmax por 2, anote el resultado. V max C3 10nf = 2 V C4 10nf max = 2 - Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote el valor mostrado en el generador. C3 10nf C4 10nf f c = f c = - La frecuencia fc se conoce como frecuencia de corte, que será vista en mayor detalle en una práctica siguiente. Es posible hallar indirectamente el valor del condesador utilizando dicha frecuencia, atraves de la relación: 1 C = π R Anote el valor obtenido para cada condensador f c C3 10nf C4 10nf C3 = C4 = 13

14 - Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador? C3 10nf C4 10nf Error = Error = - Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc. f fc 5x10 4 1x10 5 1x10 6 A - Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla? A3. Tabla de condensadores: Escribir el valor de los condensadores dados por el fabricante, el valor hallado en la practica y el error porcentual. C1 C2 C3 C4 Valor Fabricante Valor Practica Error Qué puede concluir de los valores obtenidos? 14

15 B. MEDIDA DE BOBINAS Hacer el montaje del siguiente circuito y contestar las preguntas. - Encontrar la ecuación para el voltaje de salida - Cuál es el valor del τ del circuito? - Alimente el circuito con una señal senoidal de 5Vpp B1. Bobinas de 1mH y resistencias de 1K - Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax, anote el resultado para cada inductancia de 1mH. L1 1mH L2 1mH Vmax lmh = Vmax lmh = - Divida Vmax por 2, anote el resultado. V max L1 1mH = 2 V L2 1mH max = 2 - Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote el valor mostrado en el generador. L1 1mH L2 1mH f c = f c = 15

16 - El valor encontrado en el punto anterior sirve para hallar el valor de las inductancias indirectamente con la ecuación: R L = π f c Anote el valor obtenido para cada condensador L1 1mH L2 1mH L1 = L2 = - Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador? L1 1mH L2 1mH Error = Error = - Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc. F fc 5x10 5 1x10 6 2x10 6 A - Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla? B2. Bobinas de 100µH y resistencias de Para un valor de 100Hz tome el valor del voltaje RMS de salida y llamelo Vmax, anote el resultado para cada inductancia de 100µH. L3 100µH L4 100µH Vmax 100µH = Vmax 100µH = - Divida Vmax por 2, anote el resultado. V max L3 100µH = 2 V L4 100µH max = 2 16

17 - Variando la frecuencia del generador, encuentre el valor de la frecuencia que hace que el voltaje de salida sea el encontrado en el punto inmediatamente anterior, anote el valor mostrado en el generador. L3 100µH L4 100µH f c = f c = - El valor encontrado en el punto anterior sirve para hallar el valor de los condensadores indirectamente con la ecuación: R L = π f c Anote el valor obtenido para cada condensador L3 100µH L4 100µH L3 = L4 = - Cuanto es el error porcentual para el valor de cada condensador? L3 100µH L4 100µH Error = Error = - Hacer una tabla de 10 valores, amplitud vs frecuencia, para diferentes valores de la frecuencia de la señal de entrada, incluir el valor encontrado con fc F fc 5x10 5 1x10 6 2x10 6 A - Qué se puede concluir de los valores contenidos en la tabla? B3. Tabla de bobinas: Escribir el valor de las bobinas dados por el fabricante, el valor hallado en la practica y el error porcentual. 17

18 L1 L2 L3 L4 Valor Fabricante Valor Practica Error Qué puede concluir de los valores obtenidos? CONCLUSIONES GENERALES DE LA PRACTICA: 18