Principios básicos de la técnica de corriente alterna

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1 Principios básicos de la técnica de corriente alterna Manual de trabajo Con CD-ROM Y 1 Y 2 I I R I C I L φ P 90 G U R C L S QL QC Festo Didactic es

2 Referencia: Datos actualizados en: 10/2010 Autor: Christine Löffler Artes gráficas: Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger Maquetación: 07/2011, Susanne Durz Festo Didactic GmbH & Co. KG, D Denkendorf, 2011 Internet: Sin nuestra expresa autorización, queda terminantemente prohibida la reproducción total o parcial de este documento, así como su uso indebido y/o su exhibición o comunicación a terceros. El incumplimiento de lo anterior obligará al infractor a pagar una indemnización por daños y perjuicios. Quedan reservados todos los derechos inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estéticos.

3 Contenido Utilización debida IV Prólogo V Introducción VII Indicaciones de seguridad y utilización VIII Conjunto didáctico: Principios básicos de la técnica de corriente alterna (TP 1011) IX Objetivos didácticos: Principios básicos de la técnica de corriente alterna X Atribución de los ejercicios en función de objetivos didácticos: Principios básicos de la técnica de corriente alterna XI Equipo didáctico XIII Atribución de componentes y ejercicios en función de objetivos didácticos: Principios básicos de la técnica de corriente alterna XVII Informaciones para el instructor XVIII Estructura de los ejercicios XIX Denominación de los componentes XIX Contenido del CD-ROM XX Ejercicios y soluciones Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna 1 Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador 19 Ejercicio 3: Selección de la capacitancia apropiada de un filtro de paso alto 39 Ejercicio 4: Reducción de picos de tensión al activar una bobina de válvula 51 Ejercicio 5: Determinación de la inductancia de una bobina 65 Ejercicio 6: Análisis de elementos RC mediante mediciones 77 Ejercicio 7: Determinación de la respuesta en frecuencia en un filtro de paso alto y en un filtro de paso bajo 89 Ejercicio 8: Compensación de la potencia reactiva de un motor eléctrico 101 Ejercicio 9: Selección de un circuito de corriente trifásica para la conexión de un acumulador plano de pared 113 Ejercicio 10: Generación de diversos niveles de potencia en una estufa eléctrica 127 Ejercicios y hojas de trabajo Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna 1 Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador 19 Ejercicio 3: Selección de la capacitancia apropiada de un filtro de paso alto 39 Ejercicio 4: Reducción de picos de tensión al activar una bobina de válvula 51 Ejercicio 5: Determinación de la inductancia de una bobina 65 Ejercicio 6: Análisis de elementos RC mediante mediciones 77 Ejercicio 7: Determinación de la respuesta en frecuencia en un filtro de paso alto y en un filtro de paso bajo 89 Ejercicio 8: Compensación de la potencia reactiva de un motor eléctrico 101 Ejercicio 9: Selección de un circuito de corriente trifásica para la conexión de un acumulador plano de pared 113 Ejercicio 10: Generación de diversos niveles de potencia en una estufa eléctrica 127 Festo Didactic GmbH & Co. KG III

4 Utilización debida El equipo didáctico de fundamentos de electricidad/electrónica deberá utilizarse únicamente cumpliendo las siguientes condiciones: Utilización apropiada y convenida en cursos de formación y perfeccionamiento profesional Utilización en perfecto estado técnico Los componentes del conjunto didáctico cuentan con la tecnología más avanzada actualmente disponible y cumplen las normas de seguridad. A pesar de ello, si se utilizan indebidamente, es posible que surjan peligros que pueden afectar al usuario o a terceros o, también, provocar daños en el sistema. El sistema para la enseñanza de Festo Didactic ha sido concebido exclusivamente para la formación y el perfeccionamiento profesional en materia de sistemas y técnicas de automatización industrial. La empresa u organismo encargados de impartir las clases y/o los instructores deben velar por que los estudiantes/aprendices respeten las indicaciones de seguridad que se describen en el presente manual. Festo Didactic excluye cualquier responsabilidad por lesiones sufridas por el instructor, por la empresa u organismo que ofrece los cursos y/o por terceros, si la utilización del presente conjunto de aparatos se realiza con propósitos que no son de instrucción, a menos que Festo Didactic haya ocasionado dichos daños premeditadamente o con extrema negligencia. IV Festo Didactic GmbH & Co. KG

5 Prólogo El sistema de enseñanza en materia de sistemas y técnica de automatización industrial de Festo se rige por diversos planes de estudios y exigencias que plantean las profesiones correspondientes. En consecuencia, los equipos didácticos están clasificados según los siguientes criterios: Conjuntos didácticos de orientación tecnológica Mecatrónica y automatización de procesos de fabricación Automatización de procesos continuos y técnica de regulación Robótica móvil Equipos didácticos híbridos El sistema para enseñanza de la técnica de automatización se actualiza y amplía regularmente, a la par que avanzan los métodos utilizados en el sector didáctico y se introducen nuevas tecnologías en el sector industrial. Los equipos didácticos técnicos abordan los siguientes temas: neumática, electroneumática, hidráulica, electrohidráulica, hidráulica proporcional, controles lógicos programables, sensores, electrotecnia, electrónica y actuadores eléctricos. Los equipos didácticos tienen una estructura modular, por lo que es posible dedicarse a aplicaciones que rebasan lo previsto por cada uno de los equipos didácticos individuales. Por ejemplo, es posible trabajar con controles lógicos programables para actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos. Festo Didactic GmbH & Co. KG V

6 Todos los conjuntos didácticos incluyen lo siguiente: Hardware (equipos técnicos) Material didáctico Seminarios Hardware (equipos técnicos) El hardware incluye componentes y equipos industriales que han sido adaptados para fines didácticos. La selección de componentes de los equipos didácticos y su ejecución se realiza específicamente según los proyectos previstos para cada nivel. Material didáctico Los medios relacionados con cada tema se clasifican en teachware (material didáctico) y software. El «teachware» orientado hacia la práctica, incluye lo siguiente: Libros técnicos y libros de enseñanza (publicaciones estándar para la adquisición de conocimientos de carácter fundamental). Manuales de trabajo (con ejercicios prácticos, informaciones complementarias y soluciones modelo) Diccionarios, manuales, publicaciones técnicas (profundizan los temas técnicos) Transparencias para proyección y vídeos (para crear un entorno de estudio ilustrativo y activo) Pósters (para la representación esquematizada de temas técnicos) El software incluye programas para las siguientes aplicaciones: Programas didácticos digitales (temas de estudio preparados didácticamente, aprovechando diversos medios digitalizados) Software de simulación Software de visualización Software para la captación de datos de medición Software para diseño de proyectos y construcción Software de programación para controles lógicos programables Los medios de estudio y enseñanza se ofrecen en varios idiomas. Fueron concebidos para la utilización en clase, aunque también son apropiados para el estudio autodidacta. Seminarios Los contenidos que se abordan mediante los equipos didácticos se completan mediante una amplia oferta de seminarios para la formación y el perfeccionamiento profesional. Tiene alguna sugerencia o desea expresar una crítica en relación con el presente manual? Envíe un a: [email protected] Los autores y Festo Didactic están interesados en conocer su opinión. VI Festo Didactic GmbH & Co. KG

7 Introducción El presente manual de trabajo forma parte del sistema para la enseñanza en materia de sistemas y técnica de automatización industrial de Festo Didactic GmbH & Co. KG. El sistema constituye una sólida base para la formación y el perfeccionamiento profesional de carácter práctico. El equipo didáctico para electrotecnia/electrónica TP 1011 aborda los siguientes temas: Principios básicos de la técnica de corriente continua Principios básicos de la técnica de corriente alterna Principios básicos de semiconductores Circuitos básicos en la electrónica El manual que trata el tema de los fundamentos de la técnica de corriente alterna es la continuación de la introducción al tema electrotecnia/electrónica. El manual se centra en el tema del funcionamiento de resistencias, condensadores y bobinas en circuitos de corriente alterna. Otro tema principal consiste en el desfase de corriente y tensión en circuitos de corriente alterna con condensador y bobina. En el manual se ofrecen informaciones detalladas sobre la forma de representar y evaluar el desfase en circuitos mixtos. En este contexto también se analizan los conceptos eléctricos de potencia activa, reactiva y aparente. El análisis de circuitos en estrella y en triángulo en sistemas de corriente trifásica de tensión alterna también aborda el tema de la potencia. Para efectuar el montaje de los circuitos eléctricos y para evaluarlos, es necesario disponer de un equipo de laboratorio que debe incluir una fuente segura de alimentación de tensión de la red, dos multímetros digitales, un osciloscopio con memoria y dos cables de seguridad de laboratorio. Para solucionar las tareas de los 10 ejercicios relacionados con el tema de la corriente alterna se necesitan los componentes incluidos en el conjunto TP La teoría necesaria para entender los ejercicios se encuentran en los manuales de estudio. Además, se ofrecen hojas de datos correspondientes a todos los componentes (resistencias lineales y no lineales, condensadores, bobinas, diodos luminosos, aparatos de medición, etc.). Festo Didactic GmbH & Co. KG VII

8 Indicaciones de seguridad y utilización Informaciones generales Los estudiantes únicamente podrán trabajar con los equipos en presencia de un instructor. Lea detenidamente las hojas de datos correspondientes a cada uno de los componentes y, especialmente, respete las respectivas indicaciones de seguridad. Los fallos que podrían mermar la seguridad no deberán ocasionarse durante las clases y deberán eliminarse de inmediato. Sistema eléctrico Peligro de muerte en caso de rotura del cable de protección! El cable protector (amarillo/verde) no deberá cortarse ni dentro ni fuera del aparato. No deberá dañarse o retirarse el aislamiento del cable de protección. En plantas o talleres industriales deberán respetarse las normas de utilización de equipos eléctricos definidas por las autoridades competentes. En centros de formación y en talleres de instrucción, el uso de unidades de conexión a la red eléctrica deberá supervisarse por personal debidamente cualificado. Precaución Los condensadores pueden estar cargados, aunque el aparato como tal haya sido separado de todas las fuentes de tensión. A tener en cuenta al sustituir fusibles: Utilice únicamente fusibles apropiados y previstos para la intensidad nominal correcta. Nunca conecte de inmediato la unidad de conexión a la red eléctrica si estuvo almacenada en un espacio de baja temperatura y si se pretende utilizarla en un espacio de temperatura ambiente mayor. En determinadas circunstancias adversas, el condensado que se forma en estas condiciones podría destruir la unidad. No conecte la unidad hasta que alcance la temperatura ambiente. Al resolver las tareas utilice en los circuitos una tensión de funcionamiento máxima de 60 V DC y 25 V AC. También tenga en cuenta las indicaciones sobre la tensión de funcionamiento máxima admisible que se indica en los componentes utilizados en los ejercicios. Establezca las conexiones únicamente si no está conectada la tensión. Separe las conexiones eléctricas únicamente tras haber desconectado la tensión. Utilizar únicamente cables provistos de conectores de seguridad. Al desconectar los cables, únicamente tire de los conectores de seguridad, nunca de los cables. Siempre conecte el osciloscopio a la alimentación de la tensión de la red intercalando un transformador de aislamiento. VIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

9 Conjunto didáctico: Principios básicos de la técnica de corriente alterna (TP 1011) El equipo didáctico tecnológico TP 1011 incluye una gran cantidad de material didáctico. Esta parte del equipo didáctico TP 1011 aborda el tema de los fundamentos de la técnica de corriente alterna. Los componentes individuales del equipo didáctico TP 1011 también pueden formar parte del contenido de otros equipos didácticos. Componentes principales del TP 1011 Laboratorio de estudio EduTrainer con sistema de conexiones universales Conjunto de componentes para electrotecnia/electrónica, con conectores y cables de seguridad Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Instalaciones de laboratorio completas Material didáctico El material didáctico del equipo didáctico TP 1011 incluye manuales de estudio, colecciones de tablas y manuales de trabajo. Los manuales técnicos ofrecen explicaciones ilustrativas y claramente estructuradas sobre los fundamentos de la técnica de corriente alterna. Los manuales de trabajo incluyen las hojas de ejercicios, las soluciones y un CD-ROM. Cada manual de trabajo se entrega con las hojas de ejercicios y de trabajo correspondientes a cada tarea a resolver. El equipo didáctico se entrega con hojas de datos correspondientes a los componentes del hardware. Además, las hojas de datos también constan en el CD-ROM. Material didáctico Manuales de textos técnicos Colección de tablas Manuales de trabajo Programas de estudio digitalizados Especialidad de electricidad y electrotecnia Electrotecnia/Electrónica Principios básicos de la técnica de corriente continua Principios básicos de la técnica de corriente alterna Principios básicos de semiconductores Circuitos básicos de la electrónica WBT Electricidad 1: Fundamentos de la electricidad WBT Electricidad 2: Circuitos de corriente continua y circuitos de corriente alterna WBT Electrónica 1: Fundamentos de los semiconductores WBT Electrónica 2: Circuitos impresos integrados WBT Medidas de protección eléctricas (WBT = Web Based Training = curso a través de la red) Cuadro general de los medios correspondientes al equipo didáctico TP 1011 El equipo didáctico TP 1011 incluye los siguientes programas didácticos digitales: «Electricidad 1», «Electricidad 2», «Electrónica 1», «Electrónica 2» y «Medidas de protección eléctricas». Estos programas didácticos ofrecen explicaciones exhaustivas sobre los fundamentos de la electricidad y la electrónica. Los contenidos didácticos abordan estos temas de modo sistemático y recurriendo a ejemplos reales. El material didáctico se ofrece en varios idiomas. Los materiales didácticos disponibles constan en los catálogos y en Internet. Festo Didactic GmbH & Co. KG IX

10 Objetivos didácticos: Principios básicos de la técnica de corriente alterna Al final del curso, el estudiante habrá adquirido los siguientes conocimientos: Descripción de los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna y realizar cálculos con dichos parámetros. Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes correspondientes a la corriente alterna. Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con un osciloscopio. Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de corriente alterna. Funcionamiento de un condensador en un circuito de corriente alterna. Determinación y cálculo de la reactancia capacitiva de un condensador. Medición y evaluación del desfase de corriente y tensión en un condensador incluido en un circuito de corriente alterna. Determinación y cálculo de la potencia reactiva. Cálculo de la capacitancia en circuitos con condensadores conectados en serie y en paralelo. Medición de condensadores conectados en serie y en paralelo. Evaluación según las leyes físicas aplicables en este caso. Construcción, utilización y magnitudes de una bobina. Análisis del comportamiento de conexión/desconexión de una bobina. Influencia que tiene la autoinducción en el funcionamiento de una bobina. Funcionamiento de una bobina en un circuito de corriente alterna. Determinación de la inductancia y de la reactancia inductiva de una bobina. Medición y evaluación del desfase de corriente y tensión en una bobina incluida en un circuito de corriente alterna. Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la suma de magnitudes alternas en circuitos RC. Elementos RC como divisores de tensión dependientes de la frecuencia. Utilización de elementos RC como filtros de paso alto y de paso bajo. Importancia de la potencia reactiva en la red eléctrica pública. Medición y aplicación del factor de potencia cos φ. Utilización de circuitos paralelos RLC como circuitos de compensación para calcular la potencia reactiva. Relación existente entre potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente. Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la suma de magnitudes alternas en circuitos mixtos. Principio de generación de tensión alterna trifásica. Conocimiento y montaje de circuitos en estrella y circuitos en triángulo en sistemas de corriente trifásica. Medición y cálculo de la potencia en circuitos en estrella y triángulo. Aprovechamiento específico de fases individuales del sistema de corriente trifásica con el fin de generar potencia. Consecuencias que tiene el fallo de una fase en el rendimiento de una unidad consumidora en conexión estrella. X Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 Atribución de los ejercicios en función de los objetivos didácticos: Principios básicos de la técnica de corriente alterna Objetivo didáctico Ejercicio Descripción de los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna y realizar cálculos con dichos parámetros. Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes correspondientes a la corriente alterna. Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con un osciloscopio. Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de corriente alterna. Funcionamiento de un condensador en un circuito de corriente alterna. Determinación y cálculo de la reactancia capacitiva de un condensador. Medición y evaluación del desfase de corriente y tensión en un condensador incluido en un circuito de corriente alterna. Determinación y cálculo de la potencia reactiva. Cálculo de la capacitancia en circuitos con condensadores conectados en serie y en paralelo. Medición de condensadores conectados en serie y en paralelo. Evaluación según las leyes físicas aplicables en este caso. Construcción, utilización y magnitudes de una bobina. Análisis del comportamiento de conexión/desconexión de una bobina. Influencia que tiene la autoinducción en el funcionamiento de una bobina. Festo Didactic GmbH & Co. KG XI

12 Ejercicio Objetivo didáctico Funcionamiento de una bobina en un circuito de corriente alterna. Determinación de la inductancia y de la reactancia inductiva de una bobina. Medición y evaluación del desfase de corriente y tensión en una bobina incluida en un circuito de corriente alterna. Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la suma de magnitudes alternas en circuitos RC. Elementos RC como divisores de tensión dependientes de la frecuencia. Utilización de elementos RC como filtros de paso alto y de paso bajo. Importancia de la potencia reactiva en la red eléctrica pública. Medición y aplicación del factor de potencia cos φ. Utilización de circuitos paralelos RLC como circuitos de compensación para calcular la potencia reactiva. Relación existente entre potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente. Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la suma de magnitudes alternas en circuitos mixtos. Principio de generación de tensión alterna trifásica. Conocimiento y montaje de circuitos en estrella y circuitos en triángulo en sistemas de corriente trifásica. Medición y cálculo de la potencia en circuitos en estrella y triángulo. Aprovechamiento específico de fases individuales del sistema de corriente trifásica con el fin de generar potencia. Consecuencias que tiene el fallo de una fase en el rendimiento de una unidad consumidora en conexión estrella. XII Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 Equipo didáctico El manual del trabajo titulado «Principios básicos de la técnica de corriente alterna» permite adquirir conocimientos relacionados con la construcción y el funcionamiento de condensadores y bobinas y con el comportamiento de los componentes incluidos en circuitos básicos y circuitos de aplicaciones sencillas. El equipo didáctico de electrotecnia/electrónica TP 1011 incluye los componentes necesarios para alcanzar los objetivos didácticos definidos. Para efectuar el montaje de los circuitos y evaluarlos se necesitan adicionalmente dos multímetros digitales y cables de seguridad de laboratorio. Equipo didáctico «Fundamentos de la electrotecnia / electrónica», referencia: Componente Referencia Cantidad Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Conectores universales EduTrainer Conjunto de componentes electrotecnia/electrónica Conjunto de conectores de 19 mm de color gris Lista de componentes incluidos en el equipo didáctico «Fundamentos de la electrotecnia / electrónica», referencia: Componente Cantidad Resistencia, 10 Ω/2 W 1 Resistencia, 22 Ω/2 W 2 Resistencia, 33 Ω/2 W 1 Resistencia, 100 Ω/2 W 2 Resistencia, 220 Ω/2 W 1 Resistencia, 330 Ω/2 W 1 Resistencia, 470 Ω/2 W 2 Resistencia, 680 Ω/2 W 1 Resistencia, 1 kω/2 W 3 Resistencia, 2,2 kω/2 W 2 Resistencia, 4,7 kω/2 W 2 Resistencia, 10 kω/2 W 3 Resistencia, 22 kω/2 W 3 Resistencia, 47 kω/2 W 2 Resistencia, 100 kω/2 W 2 Resistencia, 1 MΩ/2 W 1 Festo Didactic GmbH & Co. KG XIII

14 Componente Cantidad Potenciómetro, 1 kω/0,5 W 1 Potenciómetro, 10 kω/0,5 W 1 Resistencia dependiente de la temperatura (NTC), 4,7 kω/0,45 W 1 Resistencia dependiente de la luz (LDR), 100 V/0,2 W 1 Resistencia dependiente de la tensión (VDR), 14 V/0,05 W 1 Condensador, 100 pf/100 V 1 Condensador, 10 nf/100 V 2 Condensador, 47 nf/100 V 1 Condensador, 0,1 μf/100 V 2 Condensador, 0,22 μf/100 V 1 Condensador, 0,47 μf/100 V 2 Condensador, 1,0 μf/100 V 2 Condensador, 10 μf/250 V, polarizado 2 Condensador, 100 μf/63 V, polarizado 1 Condensador, 470 μf/50 V, polarizado 1 Bobina, 100 mh/50 ma 1 Diodo, AA118 1 Diodo, 1N Diodo Z, ZPD 3,3 1 Diodo Z, ZPD 10 1 Diac, 33 V/1 ma 1 Transistor NPN, BC140, 40 V/1 A 2 Transistor NPN, BC547, 50 V/100 ma 1 Transistor PNP, BC160, 40 V/1 A 1 Transistor JFET canal P, 2N3820, 20 V/10 ma 1 Transistor JFET canal N, 2N3819, 25 V/50 ma 1 Transistor UNIJUNCTION, 2N2647, 35 V/50 ma 1 Transistor MOSFET canal P, BS250, 60 V/180 ma 1 Tiristor, TIC 106, 400 V/5 A 1 Triac, TIC206, 400 V/4 A 1 Bobina de transformador, N = Bobina de transformador, N = Inducido férrico de transformador, con elemento de fijación 1 Lámpara indicadora, 12V/62 ma 1 Diodo luminoso (LED), 20 ma, azul 1 Diodo luminoso (LED), 20 ma, rojo o verde 1 Conmutador 1 XIV Festo Didactic GmbH & Co. KG

15 Símbolos de los componentes Componente Símbolo gráfico Componente Símbolo gráfico Resistencia Diodo Z Potenciómetro Diac Resistencia dependiente de la temperatura (NTC) Transistor NPN Resistencia dependiente de la luz (LDR) Transistor PNP Resistencia dependiente de la tensión Transistor JFET canal P U Condensador Transistor JFET canal N Condensador polarizado Transistor UNIJUNCTION Bobina Transistor MOSFET canal P Diodo Tiristor Festo Didactic GmbH & Co. KG XV

16 Componente Símbolo gráfico Componente Símbolo gráfico Triac LED azul Bobina de transformador LED rojo o verde Indicador luminoso Conmutador XVI Festo Didactic GmbH & Co. KG

17 Atribución de componentes y ejercicios en función de los objetivos didácticos. Principios básicos de la técnica de corriente alterna. Ejercicio Componente Resistencia, 100 Ω/2 W 1 Resistencia, 470 Ω/2 W 1 1 Resistencia, 1 kω/2 W Resistencia, 4,7 kω/2 W 1 Resistencia, 10 kω/2 W 1 Resistencia, 22 kω/2 W 1 Resistencia dependiente de la tensión (VDR), 14 V/0,05 W 1 Condensador, 100 pf/100 V 1 Condensador, 10 nf/100 V 1 1 Condensador, 47 nf/100 V 1 Condensador, 0,1 μf/100 V 1 Condensador, 0,22 μf/100 V Condensador, 0,47 μf/100 V 1 Condensador, 1,0 μf/100 V 1 Bobina, 100 mh/50 ma Bobina de transformador, N = Bobina de transformador, N = Multímetro digital Osciloscopio, 2 canales Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Festo Didactic GmbH & Co. KG XVII

18 Informaciones para el instructor Objetivos didácticos La meta didáctica general del presente manual consiste en que los estudiantes sean capaces de analizar y evaluar circuitos sencillos de corriente alterna con resistencias, condensadores y bobinas. Los estudiantes podrán adquirir estos conocimientos aprendiendo la teoría, montando circuitos reales y efectuando la medición de las magnitudes eléctricas. La interacción directa entre la teoría y la práctica asegura un rápido y sostenible progreso de los estudios. Los objetivos detallados constan en la lista anterior correspondiente. Los objetivos didácticos concretos e individuales están relacionados con cada ejercicio específico. Duración aproximada El tiempo necesario para desarrollar los ejercicios depende de los conocimientos previos de los alumnos. Cada tarea deberá resolverse en aproximadamente una hora o en una hora y media. Componentes del equipo didáctico El manual de trabajo, la colección de ejercicios y los componentes se corresponden. Para resolver los 10 ejercicios, únicamente se necesitan los componentes del equipo didáctico TP Las normas En el presente manual de trabajo se aplican las siguientes normas: EN hasta EN Símbolos gráficos utilizados en esquemas de distribución EN Sistemas industriales, equipos y productos industriales; principios aplicados para la estructuración e identificación de referencias DIN VDE Configuración de equipos de baja tensión: principios básicos (IEC ) Normas, características generales, conceptos técnicos DIN VDE Configuración de equipos de baja tensión medidas de protección (IEC ) Protección contra descarga eléctrica Identificaciones utilizadas en el manual de trabajo Los textos con las soluciones y las informaciones complementarias en las representaciones gráficas aparecen en color rojo. Excepciones: Las indicaciones y las evaluaciones relacionadas con la corriente siempre aparecen de color rojo. Las indicaciones y evaluaciones relacionadas con la tensión siempre aparecen de color azul. Identificaciones utilizadas en la colección de ejercicios Las partes que deben completarse en los textos aparecen marcadas con líneas o con celdas sombreadas en las tablas. Las gráficas que deben completarse están identificadas mediante un fondo matricial. Sugerencias para las clases Las sugerencias contienen informaciones adicionales sobre los procedimientos didácticos y los métodos aplicables en relación con los componentes. Estas informaciones no aparecen en la colección de ejercicios. XVIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

19 Soluciones Las soluciones que se ofrecen en el presente manual de trabajo se obtuvieron llevando a cabo mediciones de prueba. Por lo tanto, los resultados obtenidos por el instructor pueden ser diferentes. Especialidades de estudio En el caso de la formación profesional en la especialidad de técnicos de electrónica, el tema «Principios básicos de la técnica de corriente alterna» se trata en la asignatura del primer curso de los centros de formación. Estructura de los ejercicios La estructura metódica es la misma para todos los 10 ejercicios. Los ejercicios están estructurados de la siguiente manera: Título Objetivos didácticos Descripción de la tarea a resolver Circuito o esquema de instalación Tarea Medios auxiliares Hojas de ejercicios El manual de trabajo contiene las soluciones de las tareas incluidas en la colección de ejercicios. Denominación de los componentes La denominación de los componentes que constan en los esquemas se rige por la norma DIN EN Dependiendo del tipo de componente, su identificación incluye letras. Si un circuito incluye varios componentes iguales, éstos están numerados correlativamente. Resistencias: R, R1, R2,... Condensadores: C, C1, C2, Bobinas: L, L1, L2, Equipos emisores de señales: P, P1, P2,... Importante Si las resistencias, condensadores o bobinas se entienden como magnitudes físicas, la letra de identificación aparece en cursiva (símbolo de fórmula). Si para la numeración es necesario utilizar cifras, éstas se utilizan como índices y, por lo tanto, aparecen como subíndices. Festo Didactic GmbH & Co. KG XIX

20 Contenido del CD-ROM El manual de trabajo está incluido en el CD-ROM adjunto en forma de archivo de formato pdf. El CD-ROM se incluye en calidad de material didáctico complementario. Estructura del contenido del CD-ROM: Instrucciones de utilización Imágenes Información sobre productos Instrucciones de utilización Instrucciones para la utilización apropiada de los diversos componentes incluidos en el equipo didáctico. Estas instrucciones son útiles al efectuar el montaje y poner en funcionamiento los componentes respectivos. Imágenes Mediante fotografías y representaciones gráficas se muestran aplicaciones industriales reales. Estas imágenes pueden aprovecharse para entender mejor la tarea a resolver en cada ejercicio. Además, pueden utilizarse para ampliar y completar la presentación de proyectos. Información sobre productos Se ofrecen informaciones del correspondiente fabricante sobre cada uno de los componentes seleccionados. Esta forma de explicar estos componentes tiene la finalidad de demostrar cómo se presentan los componentes en un catálogo industrial. Además, estas páginas incluyen informaciones complementarias sobre los componentes. XX Festo Didactic GmbH & Co. KG

21 Ejercicio 1 Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna Objetivos didácticos Una vez realizado este ejercicio, habrá adquirido los conocimientos que se indican a continuación y, por lo tanto, habrá alcanzado las metas didácticas correspondientes: Descripción de los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna y realizar cálculos con dichos parámetros. Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes correspondientes a la corriente alterna. Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con un osciloscopio. Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de corriente alterna. Descripción de la tarea a resolver Usted ha sido destinado a la sección de aseguramiento de calidad y deberá analizar circuitos electrónicos con fallos. Para familiarizarse con su futuro trabajo, realiza diversas mediciones en circuitos sencillos de corriente alterna. Circuitos G U R L Circuito de corriente alterna con osciloscopio Festo Didactic GmbH & Co. KG

22 Tareas a resolver 1. Explique la definición de corriente alterna. 2. Responda las preguntas sobre la representación de magnitudes con vectores y líneas. 3. Explique los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna. 4. Ejercítese en el uso del osciloscopio y responda las preguntas. 5. Realice unas primeras mediciones con el osciloscopio. 6. Analice la intensidad, tensión y potencia en un circuito sencillo con resistencias. Medios auxiliares Libros de texto técnicos, tablas con datos técnicos Hojas de datos WBT Electricidad 1 (Web Based Training) Internet Importante Únicamente conectar la tensión eléctrica después de haber establecido todas las conexiones. Al terminar el ejercicio vuelva a desconectar la alimentación de tensión y sólo entonces proceda a desmontar los componentes. 2 Festo Didactic GmbH & Co. KG

23 Definición de corriente alterna Explique la definición de corriente alterna. La tensión alterna es una tensión en la que cambian periódicamente la polaridad (sentido de flujo) y el valor. En la imagen se muestra la evolución de magnitudes alternas en función del tiempo. Incluya en la tabla la denominación de estos tres tipos de señales. Evolución de la señal Denominación u T 2 T t Sinusoidal u Triangular T 2 T t u T 2 T t Rectangular Formas típicas de señales eléctricas Festo Didactic GmbH & Co. KG

24 Representación mediante vectores y líneas en circuitos de tensión alterna La flecha sobre el círculo permite trazar la línea sinusoidal de la tensión alterna. El radio del círculo corresponde a la amplitud de la oscilación sinusoidal y se identifica con U S. u U S U S α u α π 2 π 3π 2 2π α, t -U S Representación de una tensión alterna sinusoidal mediante vectores y líneas Indique la fórmula para calcular la tensión transitoria u. Es válido lo siguiente: Pierna u sin α= = Hipotenusa U S Por lo tanto, el valor de la tensión transitoria u es el siguiente: u = U S sin α Cuanto mayor es la frecuencia de la oscilación sinusoidal, tanto menor es la duración del período y, por lo tanto, tanto más rápidamente gira el vector correspondiente. La velocidad del movimiento del vector se expresa mediante la frecuencia angular ω. Indique la fórmula para calcular el valor transitorio u en función de ω. Con ese fin, complete el diagrama agregando la curva sinusoidal. Debajo de la indicación de los grados del ángulo indique la medida del arco en radianes. Fórmula para calcular los valores transitorios u: u = U sin( ω t) S 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

25 Describa los parámetros característicos de la corriente alterna Si se trabaja con corriente alterna, es indispensable conocer detalladamente los correspondientes parámetros característicos. Explique de manera resumida los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna. Complete la tabla rellenando las celdas vacías. Parámetro característico Símbolo en fórmulas o fórmula Descripción Pico de tensión U S U S Valor máximo o mínimo de la tensión alterna. También llamado amplitud o simplemente pico. Pico de corriente I S I S Valor máximo o mínimo de la corriente alterna. Pico-pico de tensión U SS U SS = 2 U Diferencia entre el valor positivo y negativo máximo y mínimo. S En el caso de tensión sinusoidal: U SS corresponde al doble de la amplitud. Tensión efectiva U eff U U S eff = 2 El valor efectivo es el valor de la tensión alterna que provoca la misma potencia en una resistencia óhmica que una tensión continua del mismo valor. Corriente efectiva I eff I = eff I S 2 El valor efectivo es el valor de la corriente alterna que provoca la misma potencia en una resistencia óhmica que una corriente continua del mismo valor. Duración del período T en s T Un período (onda completa con semionda positiva y semionda negativa) dura un tiempo determinado. Este tiempo es la duración del período T. Frecuencia f en Hz 1 f = T Frecuencia angular ω en 1 s Cantidad de períodos por segundo. ω= 2 π f Ángulo girado por unidad de tiempo. Valor transitorio u u = US sin( ω t) Valor transitorio en función del tiempo de una tensión alterna sinusoidal. Valor transitorio i i = I S sin( ω t) Valor transitorio en función del tiempo de una corriente alterna sinusoidal. Parámetros característicos en la técnica de corriente alterna Festo Didactic GmbH & Co. KG

26 Incluya algunos de los parámetros característicos en el diagrama de tensión alterna sinusoidal. Indique los parámetros correspondientes a los números incluidos en el diagrama. u t 4 Tensión alterna sinusoidal Número Denominación 1 Pico de tensión U S 2 Pico-pico de tensión U SS 3 Tensión efectiva U eff 4 Duración del período T Descripción de las funciones básicas de un osciloscopio Un osciloscopio permite realizar diversos ajustes y conexiones que pueden variar según tipo y modelo. Sin embargo, todos los osciloscopios permiten efectuar determinados ajustes básicos. AUTORANGE SAVE/RECALL MEASURE ACQUIRE HELP AUTOSET REF MENU UTILITY CURSOR DISPLAY DEFAULT SETUP SINGLE SEQ RUN/ STOP SAVE PRINT VERTICAL POSITION HORIZONTAL POSITION TRIGGER LEVEL CH1 MENU MATH MENU CH2 MENU HORIZ MENU SET TO ZERO TRIG MENU SET TO 50% VOLT/DIV SEC/DIV FORCE TRIG TRIG VIEW CH1 CH2 EXT.TRIG. USB Flash Drive Ejemplo de osciloscopio 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG

27 Infórmese sobre el funcionamiento del osciloscopio que utilizará para hacer las mediciones. Agregue la denominación de los elementos de mando del osciloscopio utilizados para activar las funciones que se describen en la tabla. Elemento de mando Interruptor 0/I Botón giratorio POSITION CH1 Botón giratorio VOLTS/DIV (CH1) Descripción resumida Interruptor de red Posicionamiento vertical de la señal del canal 1 (CH1) Regulación vertical de la sensibilidad de la señal de entrada CH1 Tecla CH1 MENU Activa o desactiva la indicación del canal 1 Botón giratorio POSITION Botón giratorio SEC/DIV Posicionamiento horizontal de todas las señales Regulación de la desviación de las señales en función del tiempo Tecla CH1 MENU -> Sonda Ajuste de la sonda para canal 1 Tecla CH1 MENU -> Acoplamiento Tecla CH1 MENU -> Inversión Tecla TRIG MENU Tecla TRIG MENU -> Flanco Conector de entrada EXT. TRIG. Ajustes en el canal 1: DC, AC, Ground. Significado de Ground: conexión del canal a masa. Representación invertida de la señal del canal CH1 Ajuste del trigger Activa la modalidad trigger de flanco Conector de entrada para fuente trigger externa CH1 Canal de medición 1 CH2 Canal de medición 2 Funciones básicas de un osciloscopio Sugerencias para las clases Las funciones básicas y los elementos de mando se explican recurriendo al ejemplo del osciloscopio digital de dos canales y con memoria Tektronix TDS 1002B. Describa la función trigger al efectuar mediciones con el osciloscopio. Con la función trigger se logra que en señales periódicas el punto de inicio del rayo en la pantalla del osciloscopio coincida con el mismo valor de amplitud de la señal representada anteriormente. De esta manera se obtiene una imagen aparentemente estática. Festo Didactic GmbH & Co. KG

28 Para obtener imágenes en la pantalla del osciloscopio, proceda como sigue: Asegúrese que las desviaciones X e Y están calibradas. Compruebe que la línea cero esté donde usted lo prefiera. Si regula una frecuencia con la función de selección de onda de la fuente de alimentación, mida la frecuencia con el osciloscopio para comprobar si es correcta. Al realizar una representación gráfica, siempre incluya como mínimo un período completo. Incluya siempre la línea cero en la representación gráfica. Incluya siempre la desviación en función del tiempo en la representación gráfica. Incluya siempre en la gráfica la desviación de la tensión correspondiente a cada uno de los canales utilizados (CH1 y CH2). Represente la relación que entre sí tienen las señales en función del tiempo. Efectúe el trigger siempre con la señal más lenta. Ajustes en el osciloscopio: U SS T Y = 2 V/DIV X = 0,1 ms/div Ejemplo de medición con el osciloscopio Evalúe los resultados de las mediciones que aparecen en la pantalla del osciloscopio. Determine la tensión pico-pico U SS y la duración del período T. Pico-pico de tensión U SS : U SS corresponde a 4 partes en la escala (DIV). V U SS = 4DIV 2 = 8V DIV Duración del período T: T corresponde a 6 partes en la escala. ms T = 6DIV 01, = 06ms, DIV 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG

29 Mediciones con el osciloscopio Utilizando la pantalla del osciloscopio, analice el transcurso de la tensión alterna en función del tiempo. Efectúe el montaje según el esquema. G U Y 1 Circuito para medir una tensión alterna sinusoidal con el osciloscopio Identificación Denominación Valores Osciloscopio 2 canales Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Lista de componentes Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros. Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes. Ajuste la frecuencia y la tensión en el selector de parámetros de tal manera que en el diagrama del osciloscopio se obtenga la imagen de la tensión que se muestra a continuación. Festo Didactic GmbH & Co. KG

30 Ajustes en el osciloscopio Canal 1: Y 1 = 1 V/DIV Desviación en función del tiempo: 0(Y) 1 X = 0,1 ms/div Representación de la tensión alterna en el diagrama del osciloscopio Mida la tensión pico-pico U SS y la duración del período T. Pico-pico de tensión U SS : V U SS = 6DIV 1 = 6V DIV Duración del período T: ms T = 10 DIV 0, 1 = 1 ms DIV Recurriendo a los resultados de la medición, calcule la tensión pico U S, la tensión efectiva U eff y la frecuencia f. Pico de tensión U S : USS 6V U S = = = 3V 2 2 Tensión efectiva U eff : US 3V U eff = = = 212V, 2 2 Frecuencia f: f = 110 1kHz T = 1ms = s = 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

31 Mida el valor efectivo U eff con el multímetro digital. Compare el valor efectivo medido con el valor efectivo calculado. Valor U eff medido: U eff = 2,01 V Valor U eff calculado: U eff = 2,12 V Las ligeras diferencias entre los valores medidos y los valores calculados se explican por errores de medición y las tolerancias de los componentes. Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica Explique la evolución de la tensión alterna y la corriente alterna en función del tiempo en una resistencia óhmica. Recurriendo a los valores transitorios de corriente y tensión, dibuje la curva de potencia de la resistencia. Compare esta curva de potencia con aquella de obtenida con una tensión continua comparable. Describa cómo puede representarse en el osciloscopio la evolución de corrientes. Para poder medir la corriente es necesario agregar en el circuito una resistencia de medición de la corriente R M. Con el osciloscopio se mide la caída de tensión U RM en la resistencia. A continuación se calcula la corriente que fluye a través del circuito. Describa lo que se entiende bajo resistencia efectiva. En la técnica de la corriente alterna, la resistencia óhmica se llama resistencia efectiva. La resistencia efectiva tienen el mismo efecto en circuitos de corriente alterna y en circuitos de corriente continua. La resistencia surte efecto en la energía energética y la transforma en calor, luz o en energía mecánica. La potencia obtenida en la resistencia efectiva también se llama potencia activa. Festo Didactic GmbH & Co. KG

32 Indique la fórmula para calcular la corriente I en la resistencia efectiva R. I = U R Tensión y corriente en la resistencia efectiva Y 1 R L U RL G US = 6,6 V (Sinus) f = 1 khz R M U RM Y 2 Circuito con resistencia, con R L = 1 kω, R M = 100 Ω, U S = 6,6 V, f = 1 khz Identificación Denominación Valores R L Resistencia 1 kω/2w R M Resistencia 100 Ω/2 W Osciloscopio 2 canales Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Lista de componentes Importante Para poder representar las tensiones U RL y U RM simultáneamente en el osciloscopio, el punto de referencia de ambas tensiones debe encontrarse entre las dos resistencias. Por esta razón debe invertirse la señal de tensión U RM. Ponga cuidado en que no se produzcan conexiones a masa a través del conductor protector al conectar los dos canales de medición al osciloscopio. Para evitar este riesgo, deberá conectar un transformador de aislamiento. 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

33 Efectúe el montaje según el esquema. Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros. Ajuste una tensión sinusoidal U S = 6,6 V con frecuencia f = 1 khz. Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes. En la resistencia R L mida con el osciloscopio la tensión sinusoidal U RL. Incluya los valores medidos de la tensión en el diagrama del osciloscopio. En la resistencia de medida R M mida con el osciloscopio la tensión U RM. Incluya también estos los valores medidos en el diagrama del osciloscopio. Y 1 Ajustes en el osciloscopio Y 2 0(Y), 1 (Y 2) Canal 1: Y 1 = 2 V/DIV Canal 2: Y 2 = 0,5 V/DIV (invertir) Desviación en función del tiempo: X = 0,1 ms/div Centrar las líneas cero de los canales 1 y 2 Trigger: Y 1 Diagrama en el osciloscopio de u RL y u RM Determine los valores transitorios u RL y u RM correspondientes a los tiempos indicados en la tabla de medición. Incluya los valores medidos en la tabla. Calcule la corriente i y la potencia activa p considerando los tiempos indicados en la tabla de resultados de la medición. Incluya también estos valores en la tabla. Indique la fórmula para calcular p. Fórmula para calcular los valores transitorios de potencia: p = u i Incluya los valores de corriente i, los valores de tensión u y la evolución de la potencia p en el siguiente diagrama. Festo Didactic GmbH & Co. KG

34 Tiempo t [ms] Tensión u RL (V) Tensión u RM (V) corriente i (ma) Potencia activa p (mw) ,1 3,8 0,38 3,8 14,4 0,15 5,0 0,5 5,0 25,0 0,25 6,0 0,6 6,0 36,0 0,35 5,0 0,5 5,0 25,0 0,4 3,8 0,38 3,8 14,4 0, ,6-3,8-0,38-3,8 14,4 0,65-5,0-0,5-5,0 25,0 0,75-6,0-0,6-6,0 36,0 0,85-5,0-0,5-5,0 25,0 0,9-3,8-0,38-3,8 14,4 1, Resultados de la medición Potencia p mw 30 Corriente i ma 15 Tensión u V 6 u p i ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1, Tiempo t Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica R L 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG

35 Describa las curvas de corriente y de tensión. La corriente y la tensión transcurren en fase. Pasan por cero y alcanzan sus picos al mismo tiempo. Describa la línea de la potencia. La línea de la potencia es sinusoidal, pero no tiene partes negativas. En comparación con las líneas de tensión y de corriente se duplica la frecuencia. La curva de la potencia activa en la resistencia óhmica puede sustituirse mediante un valor medio constante. Se trata del valor efectivo de la potencia. Indique la fórmula para calcular el valor efectivo de la potencia P. Peff = Ueff Ieff Recurriendo a la ley de Ohm, se obtienen dos fórmulas adicionales para calcular la potencia: P eff 2 eff = R I o bien P eff = U 2 eff R Indique el valor efectivo de la potencia, válido en el circuito con resistencia. Us Is 6V 6mA Peff = Ueff Ieff = = = 18 mw Festo Didactic GmbH & Co. KG

36 La potencia en un circuito de corriente continua y en un circuito de corriente alterna. Con el fin de comparar la potencia en el circuito de corriente continua y en el de corriente alterna, deberá determinarse la entrega de potencia en la resistencia óhmica R L = 1 kω aplicando una tensión continua de U = 4,24 V. Explique por qué se lleva a cabo la medición comparativa aplicando una tensión continua de U = 4,24 V. La tensión alterna sinusoidal con U S = 6 V tiene el siguiente valor efectivo: Us 6V U eff = = = 424V, 2 2 En una resistencia óhmica, la tensión continua U = 4,24 V genera la misma potencia que el valor efectivo U eff = 4,24 V en un circuito de tensión alterna. Mida la potencia en el circuito de corriente continua del siguiente esquema. Aplique el método de medición indirecta y anote los resultados de la medición. U = 4,24 V R L U RL Circuito con resistencia, con R L = 1 kω, U = 4,24 V Identificación Denominación Valores R L Resistencia 1 kω/2w Multímetro digital Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Lista de componentes del circuito de corriente continua con resistencia Valores de las magnitudes eléctricas obtenidos para calcular la potencia: U = 4,24 V I = 4,19 ma 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG

37 Recurriendo a los valores medidos, calcule la potencia eléctrica en la resistencia óhmica incluida en el circuito de corriente continua. P = U I = 424V, 419mA=17,8mW, Incluya en el diagrama las curvas correspondientes a las magnitudes eléctricas medidas y aquella que corresponde a la potencia eléctrica calculada. Circuito de corriente continua Circuito de corriente alterna U = 4,24 V G R L U RL U S =6V R L U RL Corriente I ma Tensión U V U I 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Tiempo t Corriente i ma Tensión u V u i 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Tiempo t Potencia P mw P Potencia p mw p 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Tiempo t Tiempo t Comparación: Potencia en circuitos de corriente continua y de corriente alterna, con R L = 1 kω Festo Didactic GmbH & Co. KG

38 Describa la relación que existe entre las dos curvas de potencia. En el circuito de corriente continua se entrega una potencia constante e invariable. En el circuito de corriente alterna se producen fuertes variaciones de la potencia. En el caso de una tensión alterna sinusoidal, las dos fuentes entregan en promedio la misma potencia cuando el valor máximo de la potencia en el circuito de corriente alterna es exactamente el doble del valor constante de la potencia en el circuito de corriente continua. 18 Festo Didactic GmbH & Co. KG

39 Contenido Ejercicios y hojas de trabajo Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna 1 Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador 19 Ejercicio 3: Selección de la capacitancia apropiada de un filtro de paso alto 39 Ejercicio 4 Reducción de picos de tensión al activar una bobina de válvula 51 Ejercicio 5: Determinación de la inductancia de una bobina 65 Ejercicio 6: Análisis de elementos RC mediante mediciones 77 Ejercicio 7: Determinación de la respuesta en frecuencia en un filtro de paso alto y en un filtro de paso bajo 89 Ejercicio 8: Compensación de la potencia reactiva de un motor eléctrico 101 Ejercicio 9: Selección de un circuito de corriente trifásica para la conexión de un acumulador plano de pared 113 Ejercicio 10: Generación de diversos niveles de potencia en una estufa eléctrica 127 Festo Didactic GmbH & Co. KG I

40 II Festo Didactic GmbH & Co. KG

41 Ejercicio 1 Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna Objetivos didácticos Una vez realizado este ejercicio, habrá adquirido los conocimientos que se indican a continuación y, por lo tanto, habrá alcanzado las metas didácticas correspondientes: Descripción de los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna y realizar cálculos con dichos parámetros. Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes correspondientes a la corriente alterna. Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con un osciloscopio. Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de corriente alterna. Descripción de la tarea a resolver Usted ha sido destinado a la sección de aseguramiento de calidad y deberá analizar circuitos electrónicos con fallos. Para familiarizarse con su futuro trabajo, realiza diversas mediciones en circuitos sencillos de corriente alterna. Circuitos G U R L Circuito de corriente alterna con osciloscopio Festo Didactic GmbH & Co. KG

42 Tareas a resolver 1. Explique la definición de corriente alterna. 2. Responda las preguntas sobre la representación de magnitudes con vectores y líneas. 3. Explique los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna. 4. Ejercítese en el uso del osciloscopio y responda las preguntas. 5. Realice unas primeras mediciones con el osciloscopio. 6. Analice la intensidad, tensión y potencia en un circuito sencillo con resistencias. Medios auxiliares Libros de texto técnicos, tablas con datos técnicos Hojas de datos WBT Electricidad 1 (Web Based Training) Internet Importante Únicamente conectar la tensión eléctrica después de haber establecido todas las conexiones. Al terminar el ejercicio vuelva a desconectar la alimentación de tensión y sólo entonces proceda a desmontar los componentes. 2 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

43 Definición de corriente alterna Explique la definición de corriente alterna. En la imagen se muestra la evolución de magnitudes alternas en función del tiempo. Incluya en la tabla la denominación de estos tres tipos de señales. Evolución de la señal Denominación u T 2 T t u T 2 T t u T 2 T t Formas típicas de señales eléctricas Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 3

44 Representación mediante vectores y líneas en circuitos de tensión alterna La flecha sobre el círculo permite trazar la línea sinusoidal de la tensión alterna. El radio del círculo corresponde a la amplitud de la oscilación sinusoidal y se identifica con U S. u U S U S α u α α, t -U S Representación de una tensión alterna sinusoidal mediante vectores y líneas Indique la fórmula para calcular la tensión transitoria u. Cuanto mayor es la frecuencia de la oscilación sinusoidal, tanto menor es la duración del período y, por lo tanto, tanto más rápidamente gira el vector correspondiente. La velocidad del movimiento del vector se expresa mediante la frecuencia angular ω. Indique la fórmula para calcular el valor transitorio u en función de ω. Con ese fin, complete el diagrama agregando la curva sinusoidal. Debajo de la indicación de los grados del ángulo indique la medida del arco en radianes. Fórmula para calcular los valores transitorios u: 4 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

45 Describa los parámetros característicos de la corriente alterna Si se trabaja con corriente alterna, es indispensable conocer detalladamente los correspondientes parámetros característicos. Explique de manera resumida los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna. Complete la tabla rellenando las celdas vacías. Parámetro característico Símbolo en fórmulas o fórmula Descripción Pico de tensión U S U S Pico de corriente I S I S Pico-pico de tensión U SS Tensión efectiva U eff Corriente efectiva I eff Duración del período T en s T Frecuencia f en Hz Frecuencia angular ω en 1 s Valor transitorio u Valor transitorio i Parámetros característicos en la técnica de corriente alterna Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 5

46 Incluya algunos de los parámetros característicos en el diagrama de tensión alterna sinusoidal. Indique los parámetros correspondientes a los números incluidos en el diagrama. u t 4 Tensión alterna sinusoidal Número Denominación Descripción de las funciones básicas de un osciloscopio Un osciloscopio permite realizar diversos ajustes y conexiones que pueden variar según tipo y modelo. Sin embargo, todos los osciloscopios permiten efectuar determinados ajustes básicos. AUTORANGE SAVE/RECALL MEASURE ACQUIRE HELP AUTOSET REF MENU UTILITY CURSOR DISPLAY DEFAULT SETUP SINGLE SEQ RUN/ STOP SAVE PRINT VERTICAL POSITION HORIZONTAL POSITION TRIGGER LEVEL CH1 MENU MATH MENU CH2 MENU HORIZ MENU SET TO ZERO TRIG MENU SET TO 50% VOLT/DIV SEC/DIV FORCE TRIG TRIG VIEW CH1 CH2 EXT.TRIG. USB Flash Drive Ejemplo de osciloscopio 6 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

47 Infórmese sobre el funcionamiento del osciloscopio que utilizará para hacer las mediciones. Agregue la denominación de los elementos de mando del osciloscopio utilizados para activar las funciones que se describen en la tabla. Elemento de mando Descripción resumida Interruptor de red Posicionamiento vertical de la señal del canal 1 (CH1) Regulación vertical de la sensibilidad de la señal de entrada CH1 Activa o desactiva la indicación del canal 1 Posicionamiento horizontal de todas las señales Regulación de la desviación de las señales en función del tiempo Ajuste de la sonda para canal 1 Ajustes en el canal 1: DC, AC, Ground. Significado de Ground: conexión del canal a masa. Representación invertida de la señal del canal CH1 Ajuste del trigger Activa la modalidad trigger de flanco Conector de entrada para fuente trigger externa Canal de medición 1 Canal de medición 2 Funciones básicas de un osciloscopio Describa la función trigger al efectuar mediciones con el osciloscopio. Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 7

48 Para obtener imágenes en la pantalla del osciloscopio, proceda como sigue: Asegúrese que las desviaciones X e Y están calibradas. Compruebe que la línea cero esté donde usted lo prefiera. Si regula una frecuencia con la función de selección de onda de la fuente de alimentación, mida la frecuencia con el osciloscopio para comprobar si es correcta. Al realizar una representación gráfica, siempre incluya como mínimo un período completo. Incluya siempre la línea cero en la representación gráfica. Incluya siempre la desviación en función del tiempo en la representación gráfica. Incluya siempre en la gráfica la desviación de la tensión correspondiente a cada uno de los canales utilizados (CH1 y CH2). Represente la relación que entre sí tienen las señales en función del tiempo. Efectúe el trigger siempre con la señal más lenta. Ajustes en el osciloscopio: U SS T Y = 2 V/DIV X = 0,1 ms/div Ejemplo de medición con el osciloscopio Evalúe los resultados de las mediciones que aparecen en la pantalla del osciloscopio. Determine la tensión pico-pico U SS y la duración del período T. 8 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

49 Mediciones con el osciloscopio Utilizando la pantalla del osciloscopio, analice el transcurso de la tensión alterna en función del tiempo. Efectúe el montaje según el esquema. G U Y 1 Circuito para medir una tensión alterna sinusoidal con el osciloscopio Identificación Denominación Valores Osciloscopio 2 canales Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Lista de componentes Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros. Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes. Ajuste la frecuencia y la tensión en el selector de parámetros de tal manera que en el diagrama del osciloscopio se obtenga la imagen de la tensión que se muestra a continuación. Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 9

50 Ajustes en el osciloscopio Canal 1: Y 1 = 1 V/DIV Desviación en función del tiempo: 0(Y) 1 X = 0,1 ms/div Representación de la tensión alterna en el diagrama del osciloscopio Mida la tensión pico-pico U SS y la duración del período T. Recurriendo a los resultados de la medición, calcule la tensión pico U S, la tensión efectiva U eff y la frecuencia f. 10 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

51 Mida el valor efectivo U eff con el multímetro digital. Compare el valor efectivo medido con el valor efectivo calculado. Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica. Explique la evolución de la tensión alterna y la corriente alterna en función del tiempo en una resistencia óhmica. Recurriendo a los valores transitorios de corriente y tensión, dibuje la curva de potencia de la resistencia. Compare esta curva de potencia con aquella de obtenida con una tensión continua comparable. Describa cómo puede representarse en el osciloscopio la evolución de corrientes. Describa lo que se entiende bajo resistencia efectiva. Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 11

52 Indique la fórmula para calcular la corriente I en la resistencia efectiva R. Tensión y corriente en la resistencia efectiva Y 1 R L U RL G US = 6,6 V (Sinus) f = 1 khz R M U RM Y 2 Circuito con resistencia, con R L = 1 kω, R M = 100 Ω, U S = 6,6 V, f = 1 khz Identificación Denominación Valores R L Resistencia 1 kω/2w R M Resistencia 100 Ω/2 W Osciloscopio 2 canales Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Lista de componentes Importante Para poder representar las tensiones U RL y U RM simultáneamente en el osciloscopio, el punto de referencia de ambas tensiones debe encontrarse entre las dos resistencias. Por esta razón debe invertirse la señal de tensión U RM. Ponga cuidado en que no se produzcan conexiones a masa a través del conductor protector al conectar los dos canales de medición al osciloscopio. Para evitar este riesgo, deberá conectar un transformador de aislamiento. 12 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

53 Efectúe el montaje según el esquema. Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros. Ajuste una tensión sinusoidal U S = 6,6 V con frecuencia f = 1 khz. Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes. En la resistencia R L mida con el osciloscopio la tensión sinusoidal U RL. Incluya los valores medidos de la tensión en el diagrama del osciloscopio. En la resistencia de medida R M mida con el osciloscopio la tensión U RM. Incluya también estos los valores medidos en el diagrama del osciloscopio. Ajustes en el osciloscopio Canal 1: Y 1 = 2 V/DIV Canal 2: Y 2 = 0,5 V/DIV (invertir) 0 (Y 1 ), (Y 2) Desviación en función del tiempo: X = 0,1 ms/div Centrar las líneas cero de los canales 1 y 2 Trigger: Y 1 Diagrama en el osciloscopio de u RL y u RM Determine los valores transitorios u RL y u RM correspondientes a los tiempos indicados en la tabla de medición. Incluya los valores medidos en la tabla. Calcule la corriente i y la potencia activa p considerando los tiempos indicados en la tabla de resultados de la medición. Incluya también estos valores en la tabla. Indique la fórmula para calcular p. Fórmula para calcular los valores transitorios de potencia: Incluya los valores de corriente i, los valores de tensión u y la evolución de la potencia p en el siguiente diagrama. Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 13

54 Tiempo t [ms] Tensión u RL (V) Tensión u RM (V) corriente i (ma) Potencia activa p (mw) 0 0,1 0,15 0,25 0,35 0,4 0,5 0,6 0,65 0,75 0,85 0,9 1,0 Resultados de la medición Potencia p mw 30 Corriente i ma 15 Tensi n url ó V ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1, Tiempo t Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica R L 14 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

55 Describa las curvas de corriente y de tensión. Describa la línea de la potencia. La curva de la potencia activa en la resistencia óhmica puede sustituirse mediante un valor medio constante. Se trata del valor efectivo de la potencia. Indique la fórmula para calcular el valor efectivo de la potencia P. Indique el valor efectivo de la potencia, válido en el circuito con resistencia. Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 15

56 La potencia en un circuito de corriente continua y en un circuito de corriente alterna. Con el fin de comparar la potencia en el circuito de corriente continua y en el de corriente alterna, deberá determinarse la entrega de potencia en la resistencia óhmica R L = 1 kω aplicando una tensión continua de U = 4,24 V. Explique por qué se lleva a cabo la medición comparativa aplicando una tensión continua de U = 4,24 V. Mida la potencia en el circuito de corriente continua del siguiente esquema. Aplique el método de medición indirecta y anote los resultados de la medición. U = 4,24 V R L U RL Circuito con resistencia, con R L = 1 kω, U = 4,24 V Identificación Denominación Valores R L Resistencia 1 kω/2w Multímetro digital Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Lista de componentes del circuito de corriente continua con resistencia Valores de las magnitudes eléctricas obtenidos para calcular la potencia: 16 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG

57 Recurriendo a los valores medidos, calcule la potencia eléctrica en la resistencia óhmica incluida en el circuito de corriente continua. Incluya en el diagrama las curvas correspondientes a las magnitudes eléctricas medidas y aquella que corresponde a la potencia eléctrica calculada. Circuito de corriente continua Circuito de corriente alterna U = 4,24 V G R L U RL U S =6V R L U RL Corriente I ma Tension U V ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Tiempo t Corriente i ma Tensión u V u i 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Tiempo t Potencia P mw Potencia p mw p 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Tiempo t Tiempo t Comparación: Potencia en circuitos de corriente continua y de corriente alterna, con R L = 1 kω Festo Didactic GmbH & Co. KG Nombre: Fecha: 17

58 Describa la relación que existe entre las dos curvas de potencia. 18 Nombre: Fecha: Festo Didactic GmbH & Co. KG