CICLO 01-2015 UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS COORDINACIÓN DE ELECTRÓNICA Y BIOMÉDICA GUÍA DE LABORATORIO Nº 06 NOMBRE DE LA PRACTICA: Análisis de Circuitos en Corriente Alterna LUGAR DE EJECUCIÓN: Laboratorio de Fundamentos Generales (edificio 3, aula 3.21) TIEMPO ESTIMADO: 3 horas ASIGNATURA: Electrónica Básica INSTRUCTOR(ES): Tania Martínez / Xochilt Urrutia / Francisco Hernández I. OBJETIVOS Determinar el valor de la reactancia capacitiva y la reactancia inductiva a partir de magnitudes medidas. Determinar el valor del capacitor y el inductor a partir de la reactancia. Determinar la relación de espiras de los transformadores a partir de mediciones. Determinar la respuesta en frecuencia de los transformadores y determinar su ancho de banda. II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA LA CORRIENTE ALTERNA Para visualizar ondas sinusoidales producidas por alternadores o generadores electrónicos, utiliza el osciloscopio. La tensión varía desde cero a un voltaje pico máximo (+V PICO ), luego a cero, a un voltaje pico mínimo (-V PICO ) y nuevamente a cero. El valor de la tensión en un instante dato t puede calcularse con: Tensión instantánea = v = V PICO Sen(2πft) Dónde: v tensión instantánea V PICO tensión de pico (ver la forma de onda de la figura 2.1) π constante pi (3.1416 aprox.) f frecuencia de la onda t instante de tiempo en el cual calculamos la tensión La frecuencia de la onda se mide en hertzios (Hz) y es la cantidad de ciclos completos que tiene la onda en un segundo. En el osciloscopio no se puede leer directamente la frecuencia sino el periodo de la onda. La frecuencia se calcula con la expresión: f = 1/T hertzios, donde T es el período en segundos. En el osciloscopio se puede leer el valor denominado tensión pico a pico, indicado en la figura 2.1. Se puede obtener la tensión pico dividiendo por 2 al valor de la tensión pico a pico. Los voltímetros de CA comunes no miden los valores de pico ni de pico a pico sino el valor eficaz. El valor eficaz de la tensión es igual al valor de una tensión de CD que desarrolle igual potencia que la onda alternada sobre un resistor dado. El valor pico de tensión de una onda sinusoidal medido con el osciloscopio puede convertirse a tensión eficaz con la relación: V EFECTIVO = V PICO. 0.707
CORRIENTE ALTERNA EN CIRCUITOS CAPACITIVOS La magnitud se opone al paso de corriente y que es producida por un capacitor se denomina reactancia capacitiva y se simboliza X C. Se puede utilizar la ley de Ohm para determinar a X C a partir de los valores de corriente y tensión. La tensión en bornes del capacitor y la corriente del circuito no tienen sus valores pico en el mismo instante. La corriente se adelanta a la tensión en 90. La reactancia capacitiva viene dada por la expresión: X C = [2.π.f.L] -1 CORRIENTE ALTERNA EN UN CIRCUITO INDUCTIVO El inductor (o bobina) es un elemento que puede almacenar energía como el capacitor. A diferencia del capacitor, que acumula energía en virtud de la tensión entre sus bornes, el inductor acumula la energía en forma de campo magnético creado por la corriente que lo circula. Como la energía no puede cambiar rápidamente, tampoco puede hacerlo la corriente que circula por el inductor. Debido a que la tensión invierte su polaridad con velocidad elevada en los circuitos de CA, los cambios de corriente tienden a retratarse respecto de la tensión aplicada al inductor. La diferencia de fase es de 90º. La reactancia de un inductor se calcula mediante la expresión: X L = 2.π.f.L Para tener en cuenta el retraso de 90º en la fase de la corriente, se asocia a la reactancia un ángulo de fase de +90º. EL TRANSFORMADOR Al aplicar una tensión alterna a una bobina, está produce un campo magnético alternado. Inversamente, si pasa el campo magnético alternado por otra bobina, producirá una tensión alternada. Cuando las dos bobinas estén construidas de forma que todo el campo magnético de la primera (llamada arrollamiento primario ) pasa por la otra (llamada arrollamiento secundario ), el elemento se denomina transformador. La tensión del secundario depende de la relación de espiras del transformador. Si el número de espiras primarias es Np, y Ns el de las secundarias, la tensión de salida es: Vs = Vp.Ns/Np Los transformadores pueden tener más de un arrollamiento secundario, y en ese caso la expresión es válida para cada secundario. La potencia de salida del transformador debe ser igual a la de entrada, sino hay pérdidas. En consecuencia, la corriente del primario está expresada por: Para un transformador que tenga un solo secundario. Ip = Is.Ns/Np III. MATERIALES Y EQUIPO Nº Requerimientos Cantidad 1 Unidad PU-2000 1 2 Tarjeta EB-103 1 3 Par de puntas para multimetro 1 Electrónica Básica 2
IV. PROCEDIMIENTO PARTE I. CORRIENTE ALTERNA EN CIRCUITOS CAPACITIVOS 1. Introduzca la tarjeta EB-103 en el PU-2000. 2. Conecte la salida del generador de funciones al terminal superior del capacitor C2 de 1uF, como se indica en la figura 4.1. Conecte el canal 1 del osciloscopio al terminal superior de C2 y el canal 2 al terminal superior de R2 (de 10Ω) para medir la corriente. Conecte un puente en serie con C2. Figura 4.1. Circuito capacitivo. 3. Configure el generador de funciones a 4Vpp de salida con frecuencia de 1000Hz. 4. Mida las tensiones de los canales 1 y 2 del osciloscopio y transforme la lectura del canal 2 en corriente. Anótela en la tabla 4.1. 5. Lea con precisión el período de la tensión alterna y la diferencia de tiempo entre los instantes de cruce de cero de las ondas de corriente y tensión. Anótelos en la tabla 4.1. 6. Ajuste la perilla variable del control de base de tiempo para que un ciclo de la onda de tensión ocupe 9 divisiones del eje horizontal de la pantalla. Con esto, el osciloscopio queda calibrado a 40 por división. 7. Determine el ángulo de fase entre los puntos de cruce de cero de la tensión y de la corriente, y anótelo en la tabla 4.1. FRECUENCIA (Hz) 300 VOLTIOS CANAL 1 VOLTIOS CANAL 2 PERIODO CORRIENTE (s) C2 = 1uF DIFERENCIA DE TIEMPO FASE GRADOS X C (Ω) 1000 10k C3 = 0.15uF 300 1000 10k Tabla 4.1. Dependencia de la tensión de la frecuencia. Electrónica Básica 3
8. Repita las mediciones para las frecuencias de 300Hz y 10kHz. Anote sus resultados en la tabla 4.1. 9. Calcule la corriente para cada frecuencia, y luego la reactancia X C dividiendo la tensión en bornes del capacitor por la corriente y despreciando la caída de tensión sobre R2. X C = V CANAL 1 / CORRIENTE 10. Arme el circuito con el capacitor C3 de 0.15uF en lugar de C2, como se indica en la figura 4.2 y repita la secuencia anterior de mediciones y cálculos. Anótelos en la tabla 4.1. Figura 4.2. Circuito capacitivo con C3. PARTE II. CORRIENTE ALTERNA EN CIRCUITOS INDUCTIVOS 1. Conecte a L1 (de 10mH) en el circuito de la figura 4.3 y ponga el generador de funciones a 4Vpp con 20kHz. Figura 4.3. Circuito inductivo. 2. Mida con el osciloscopio la tensión de entrada y la corriente que circula por el resistor R5 de 10Ω. Tome nota del desfase respecto de la tensión de entrada. TENSIÓN DE ENTRADA = CORRIENTE = FASE = Electrónica Básica 4
3. Repita las lecturas con L2 (de 5mH) en lugar de L1. TENSIÓN DE ENTRADA = CORRIENTE = FASE = PARTE III. EL TRANSFORMADOR 1. Conecte el generador de funciones al primario de T1 como se muestra en la figura 4.4. Ajuste el generador a 2Vpp con 1000Hz. Fig. 4.4. El transformador. 2. Mida la tensión de salida en el secundario 1 (entre los terminales 3 y 4) y en el secundario 2 (entre los terminales 5 y 6). V S 1= V S 2= 3. Mida la tensión de salida del transformador (entre los terminales 3 y 6) con los secundarios conectados en serie aditiva (conectar 4 con 5). V(serie aditiva)= 4. Conecte a los secundarios en oposición (conectar 4 con 6) y mida la salida entre 3 y 5. V(en oposición)= 5. Desconecte a 4 de 6 y conecte el osciloscopio a la salida del secundario 1. Varíe la frecuencia del generador y mida la respuesta en frecuencia en la banda de 50Hz a 50kHz. Anote las mediciones en la tabla 4.2. Electrónica Básica 5
FRECUENCIA (Hz) V S EN VACÍO (V) V S CARGADO 50 100 200 500 1k 5k 10k 50k Tabla 4.2. Respuesta en frecuencia de un transformador. V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS PARTE I. CORRIENTE ALTERNA EN CIRCUITOS CAPACITIVOS 1. Cómo influye la frecuencia sobre la reactancia? 2. La ley de Ohm es válida para los capacitores? 3. Obtenga el valor experimental de la reactancia y compárelo con el valor calculado teóricamente. PARTE II. CORRIENTE ALTERNA EN CIRCUITOS INDUCTIVOS 1. Cuál es el desfase que tiene la corriente en el inductor con respecto de su tensión? 2. Obtenga los valores para L1 y L2 de forma experimental y teórica, luego, compare sus resultados. PARTE III. EL TRANSFORMADOR 1. Qué relaciones de espiras tiene el transformador entre el arrollamiento primario y los secundarios? 2. Cuál es la banda de utilización del transformador (hasta 50kHz)? Cómo se afecta la banda al cargar el transformador? VI. BIBLIOGRAFÍA [1] FLOYD, T.L. Principios de circuitos eléctricos, Pearson, México 2007. [2] BOYLESTAD, R. Análisis introductorio de circuitos. Prentice Hall, México 1998. Electrónica Básica 6
HOJA DE COTEJO GUÍA 06. ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN CORRIENTE ALTERNA ESTUDIANTE: MESA: DOCENTE: GL: FECHA: EVALUACIÓN % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NOTA CONOCIMIENTO 40 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos teóricos: Conocimiento y explicación Conocimiento completo y - Define el concepto de incompleta de los fundamentos explicación clara de los reactancia capacitiva y teóricos. fundamentos teóricos. reactancia inductiva. - Define el concepto de transformador. % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NOTA APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 50 Cumple con uno o ninguno de los siguientes criterios: - Determina el valor de la reactancia capacitiva e inductiva a partir de las mediciones realizadas. - Determina el valor del capacitor y el inductor a partir de la reactancia. - Determina el ancho de banda de respuesta del transformador analizado. Cumple solamente dos de los criterios. Cumple con los cuatro criterios. % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NOTA ACTITUD 10 Es un observador pasivo, es ordenado pero no hace uso adecuado de los recursos. Participa ocasionalmente pero sin coordinarse con su compañero, no es ordenado pero hace uso adecuado de los recursos. Participa de forma activa e integral durante el desarrollo de la práctica, haciendo un uso responsable de los recursos en un entorno de trabajo ordenado. TOTAL 100 Electrónica Básica 7