UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE ESTUDIOS

UNIVERSIDAD DON BOSCO
FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS
COORDINACIÓN DE ELECTRÓNICA Y BIOMÉDICA
GUÍA DE LABORATORIO Nº 06
CICLO
01-2015
I.




II.
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
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.
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 (-VPICO) y
nuevamente a cero.
El valor de la tensión en un instante dato t puede calcularse con:
Tensión instantánea = v = VPICOSen(2πft)
Dónde:
v – tensión instantánea
VPICO –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:
VEFECTIVO = VPICO . 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 XC. Se puede utilizar la ley de Ohm para determinar a XC 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:
XC = [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:
XL = 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:
Ip = Is .Ns/Np
Para un transformador que tenga un solo secundario.
III.
Nº
1
2
3
MATERIALES Y EQUIPO
Requerimientos
Unidad PU-2000
Tarjeta EB-103
Par de puntas para multimetro
Electrónica Básica
Cantidad
1
1
1
2
IV.
PROCEDIMIENTO
PARTE I. CORRIENTE ALTERNA EN CIRCUITOS CAPACITIVOS
1.
2.
Introduzca la tarjeta EB-103 en el PU-2000.
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.
4.
5.
6.
7.
Configure el generador de funciones a 4Vpp de salida con frecuencia de 1000Hz.
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.
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.
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.
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)
VOLTIOS
CANAL 1
VOLTIOS
CANAL 2
PERIODO
(s)
C2 = 1uF
CORRIENTE
DIFERENCIA
DE TIEMPO
FASE
GRADOS
XC (Ω)
300
1000
10k
C3 = 0.15uF
300
1000
10k
Tabla 4.1. Dependencia de la tensión de la frecuencia.
Electrónica Básica
3
8.
9.
Repita las mediciones para las frecuencias de 300Hz y 10kHz. Anote sus resultados en la tabla 4.1.
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.
XC = VCANAL 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).
VS1=
3.
VS2=
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)
VSEN VACÍO (V)
VS 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
%
CONOCIMIENTO
40
%
APLICACIÓN
DEL
CONOCIMIENTO
50
%
ACTITUD
10
TOTAL
100
Electrónica Básica
1
2
3
4
Conocimiento deficiente de
los siguientes fundamentos
teóricos:
Define el concepto de
reactancia capacitiva y
reactancia inductiva.
Define el concepto de
transformador.
1
2
3
4
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.
1
2
3
4
Es un observador pasivo, es
ordenado pero no hace uso
adecuado de los recursos.
5
6
7
Conocimiento
y
explicación
incompleta de los fundamentos
teóricos.
5
6
7
Cumple solamente dos de los
criterios.
5
6
7
Participa ocasionalmente pero sin
coordinarse con su compañero, no
es ordenado pero hace uso
adecuado de los recursos.
8
9
10
NOTA
Conocimiento completo y
explicación clara de los
fundamentos teóricos.
8
Cumple
criterios.
8
9
con
9
10
los
NOTA
cuatro
10
NOTA
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.
7