Experiencia P51: Circuito RL Sensor de Voltaje, salida de potencia

Transcripción

1 Sensor de Voltaje, salida de potencia Tema DataStudio ScienceWorkshop (Mac) ScienceWorkshop (Win) Circuitos P51 LR Circuit.DS ( vea al final experiencia) ( vea al final experiencia) Equipo necesario Cant. Del AC/DC Electronics Lab* Cant. Sensor de voltaje (CI-6503) 2 Bobina inductora y núcleo de hierro 1 Medidor RLC (SB-9754) 1 Resistencia, 10 ohm 1 Multimetro (SE-9786) 1 Cable de 13 cm 2 Cables de conexión (SE-9750) 2 (*El AC/DC Electronics Lab es el modelo PASCO EM-8656) IDEAS PREVIAS Cuál es la relación entre la tensión a través de la inductancia y la tensión a través la resistencia en un circuito resitencia-inductancia? Cuál es la relación entre la intensidad que circula y el comportamiento de una inductancia en un circuito de CC? Anote su respuesta en la sección Informe de Laboratorio. FUNDAMENTO TEÓRICO Cuando se aplica una tensión CC a una inductancia en serie con una resistencia se establecerá una intensidad estacionaria I max R donde V o es la tensión aplicada y R es la resistencia total en el circuito. Pero se requiere tiempo para que se alcance esta intensidad estacionaria debido a que la inductancia genera una fuerza contraelectromotriz en respuesta al aumento de la intensidad. La intensidad se incrementará exponencialmente: I I max (1 e (R L )t ) I max (1 e t / ) donde L es la inductancia y la cantidad L R es la constante de tiempo inductiva. La constante de tiempo inductiva. es una medida cuanto tiempo requiere la intensidad para establecerse. Una constante de tiempo inductiva es el tiempo que requiere la intensidad para aumentar hasta un 63% de su máximo valor ( o para caer un 37% de su máximo). El tiempo para R L P PASCO scientific p. 153

2 que la intensidad aumente o caiga a la mitad de su máximo está relacionada con la constante de tiempo inductiva por t 12 (ln2) t 1 2 ln 2 Puesto que la tensión a través de una resistencia está dada por V R IR, la tensión a través de la resistencia se establece exponencialmente: V R (1 e t / ) Puesto que la tensión a través de una inductancia está dada por V L L di dt, e la tensión a través de la inductancia comienza a su máximo y decrece exponencialmente: V L e ( t ) Después de un tiempo t >>, se establece una corriente estacionaria I max y la tensión a través de la resistencia es igual a la tensión aplicada., V o. La tensión a través de la inductancia es cero. Si, después de conseguirse la intensidad máxima, la fuente tensión se apaga, la intensidad comenzará a decrecer exponencialmente hasta cero mientras que la tensión a través de la resistencia hace lo mismo y la inductancia vuelve a producir una fuerza contraelectromotriz que decrece exponencialmente hasta cero. Resumiendo: Tensión CC aplicada: I I max 1 e ( t ) Tensión CC apagada: I I t max e ( ) V V R o e ( t ) V R 1 e ( t ) V L e (t ) V L V emf 1 e ( t ) En cualquier instante. Aplicando la Ley de Kirchhoff de las tensiones. La suma algebraica de las caídas de tensión a lo largo de una malla debe ser nula. En otras palabras, la tensión a través de la resistencia más la tensión de la inductancia alcanzará la tensión de la fuente. PROCEDIMIENTO Utilice la característica "salida"( Output ) del interfaz ScienceWorkshop para suministrar una tensión al circuito resistencia-inductancia.. (La salida del interfaz es una onda cuadrada positiva de baja frecuencia que imita la acción de encendido y apagado de una fuente de tensión CC. Utilice el sensor de voltaje para medir la tensión a través de la inductancia y resistencia. P PASCO scientific p. 154

3 Utilice ScienceWorkshop o DataStudio para registrar y mostrar las tensiones a través de la inductancia y resistencia cuando la intensidad esté establecida exponencialmente en el circuito. Utilice la gráfica de las tensiones para investigar el comportamiento del circuito inductancia y resistencia. PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL ORDENADOR 1. Conecte el interfaz al ordenador, encienda el interfaz y el ordenador 2. Conecte un sensor de voltaje al Canal analógico A. Esta será Tensión Sensor A Conecte el segundo sensor de voltaje al Canal analógico. B. Esta será Tensión Sensor B. 3. Conecte los cables a los terminales de SALIDA del interfaz. 4. Abra el archivo titulado: DataStudio ScienceWorkshop (Mac) ScienceWorkshop (Win) P51 LR Circuit.DS ( Vea al final de la ( Vea al final de la experiencia) experiencia) El archivo DataStudio contiene una gráfica de la tensión frente al tiempo de la " Salida", la resistencia y la inductancia.. El archivo DataStudio también contiene el Workbook. Lea las instrucciones en el Workbook Mire las páginas del final de esta experiencia para obtener información de cómo modificar el archivo de ScienceWorkshop. El generador de señales está configurado para generar una onda cuadrada positiva 3.00 voltios y Hz. Está configurando en " Auto" así que automáticamente comienza y para de generar señal cuando inicie o pare la medida de datos. La recogida de datos está configurada para parar automáticamente a los 0.12 segundos. P PASCO scientific p. 155

4 PARTE II: CALIBRADO DEL SENSOR Y MONTAJE DEL EQUIPO No se necesita calibrar el Sensor de voltaje. 1. Ponga el núcleo de hierro dentro de la bobina inductora de tarjeta AC/DC Electronics Lab. 2. Conecte un cable de 13 cm entre un muelle porta-componentes próximo a terminal tipo banana superior y el muelle porta-componentes al lado derecho de la bobina inductora en la tarjeta. 3. Conecte la resistencia de 10-ohm (marrón, negro, negro) entre el muelle portacomponentes a la izquierda de la bobina y el segundo muelle porta-componentes a la izquierda del terminal tipo banana superior.. 4. Conecte otro cable de 13 cm entre el muelle porta-componentes más próximo a uno en el cual está conectado uno de los extremos de la resistencia de 10 ohm, y un muelle portacomponentes lo más próximo al terminal tipo banana inferior en la esquina inferior derecha de la tarjeta. 5. Ponga las pinzas tipo cocodrilo en los conectores banana de ambos sensores de voltaje. Conecte las pinzas tipo cocodrilo del sensor de voltaje A a los muelles portacomponentes de ambos lados de la bobina inductora. 6. Conecte las pinzas tipo cocodrilo del sensor de voltaje B a los cables de ambos extremos de la resistencia de Conecte los cables desde el puerto de " SALIDA" del interfaz a los terminales tipo banana del la tarjeta AC/DC Electronics Lab. RECUERDE Siga todas las instrucciones de seguridad. P PASCO scientific p. 156

5 PARTE III: RECOGIDA DE DATOS 1. Utilice un Multimetro para medir la resistencia de la bobina inductora de la tarjeta AC/DC Electronics Lab. Anote la resistencia de la bobina en la sección de Datos.. 2. Utilice un Multimetro para medir la resistencia de la resistencia 10-ohm Anote el valor medido de la resistencia en la sección de Datos.. (Opcional: si tiene un medidor de inductancia utilícelo para medir la inductancia de la bobina con el núcleo de hierro dentro) 3. Inicie la medida de datos. El generador de señales comience automáticamente.. La recogida de datos parará automáticamente. En datos aparecerá pasada # 1 ANÁLISIS DE DATOS La tensión a través de la resistencia estará en fase con la intensidad. La tensión también es proporcional a la intensidad (esto es, V = IR). Así el comportamiento de la intensidad se estudia indirectamente estudiando el comportamiento de la tensión a través de la resistencia ( medido en el canal B). 1. Utilice las herramientas de análisis de la ventana de gráfica para encontrar el tiempo para alcanzar " la mitad de la máxima". tensión. En DataStudio, utilice Smart Tool. En ScienceWorkshop, utilice Smart Cursor. Mueva el cursor a la parte superior de la parte exponencial de la gráfica donde la tensión a través de la resistencia (canal B) es un máximo. Anote en la Tabla de Datos el pico de tensión (coordenada Y) y el tiempo (coordenada X) para ese punto. Determine la tensión que es la mitad del pico (la mitad del máximo tensión). Mueva el cursor hacia abajo en la exponencial de la gráfica de la tensión de la resistencia hasta que llegue a la " mitad de la máxima" tensión. Anote la coordenada X (tiempo) para este punto.. Reste el tiempo para pico de tensión del tiempo de la " mitad del máximo" para obtener el tiempo para que la tensión alcance " la mitad del máximo". Anote este tiempo en la Tabla de Datos.. 2. Calcule la constante de tiempo inductiva basándose en la resistencia total en el circuito y el valor de la inductancia del la bobina inductora con núcleo L = 18.9 millihenrio o H. NOTA: si tiene un medidor de inductancia, utilice el valor medido de la inductancia de la bobina más el núcleo.. P PASCO scientific p. 157

6 Constante de tiempo inductiva L R. 3. Anote el valor calculado de la constante de tiempo inductiva en la sección de datos. Anote sus resultados en la sección Informe de Laboratorio. P PASCO scientific p. 158

7 Informe de Laboratorio Experiencia P 51:Circuito LR IDEAS PREVIAS Cuál es la relación entre la tensión a través de la inductancia y la tensión a través la resistencia en un circuito resitencia-inductancia? Cuál es la relación entre la intensidad que circula y el comportamiento de una inductancia en un circuito de CC? Datos L = 18.9 millihenrios o H para la bobina más el núcleo, salvo otra medida. Item Resistencia inductancia Resistencia resistencia Resistencia total Pico de tensión ( para la Resistencia ) Tiempo al pico de tensión Tiempo a la mitad del máximo Tiempo para alcanzar la mitad del máximo Valor t 1 2 ln 2 = L/R P PASCO scientific p. 159

8 CONCLUSIONES Y APLICACIONES 1. Cómo compara la constante de tiempo inductiva encontrada en esta experiencia con la el valor teórico dado por = L/R? (Recuerde que R es la resistencia total del circuito, esto es debe incluir la resistencia de la bobina y la resistencia de la resistencia) 2. Se cumple la Ley de Kirchhoff de las tensiones en una malla en cualquier instante? Utilice las gráficas para comprobarlo al menos en tres tiempos diferentes. Es la suma de las tensiones a través de la resistencia y a través de la inductancia igual a la tensión de la fuente en cualquier instante? P PASCO scientific p. 160

9 APENDICE. MODIFICACIÓN DEL ARCHIVO ScienceWorkshop Modificación del archivo existente de ScienceWorkshop. Abra el archivo ScienceWorkshop Abra el archivo titulado: ScienceWorkshop (Mac) P44 LR Circuit ScienceWorkshop (Win) P44_LRCI.SWS Esta experiencia utiliza la característica " salida" (Output) del interfaz ScienceWorkshop 750 para proporcionar una tensión de salida Elimine el amplificador de potencia en la ventana de preparación de experiencia. Elimine el icono del amplificador de potencia Em la ventana de preparación, pulse en el icono amplificador de potencia y pulse <supr> (delete) en el teclado. Resultado: Una ventana de " peligro" (warning) se abre. Pulse " Aceptar" para volver a la ventana de preparación Modificación de la ventana del generador de señales Cambie en la ventana del generador de señales la amplitud a 3.00 voltios y la forma de onda CA a una " onda cuadrada sólo positiva". Cambio de las opciones de muestreo Abra la ventana opciones de muestreo. Elimine la condición "Start. Cambie la condición Stop a 0.12 s. P PASCO scientific p. 161