3E-Equipos Electronicos Educativos S.L.

ENTRENADOR MODULAR DE ELECTROTECNIA
MASTERLAB-4500
- MANUAL DE DESCRIPCIÓN Y PRÁCTICAS -
3E-Equipos Electronicos Educativos S.L.
Valentín Beato, 11
28037 Madrid (ESPAÑA)
Tf. 913 274 636
Fax. 913 274 636
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Versión: 1
Actualizado: Octubre de 2004
Realizado por: Departamento Técnico de 3E
Revisado por: Departamento Técnico de 3E
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INDICE DE CONTENIDO
1. DESCRIPCION DEL ENTRENADOR
1.1
1.2
1.3
1.4
Propósito didáctico
Realización de las prácticas
Instrumentación complementaria
Módulos de prácticas
2
4
5
5
6
16
2. PRACTICAS
2.1 Prácticas de electricidad estática
2.2 Prácticas preparatorias de electricidad dinámica
2.3 Prácticas de corriente continua
2.4 Prácticas de capacidad eléctrica
2.5 Prácticas de corriente alterna
2.6 Prácticas de magnetismo, electromagnetísmo e inducción electromagnética
2.7 Prácticas con transformadores
2.8 Prácticas con motores
2.9 Prácticas con circuitos RLC
2.10 Prácticas de rectificación y filtrado
2.11 Prácticas de circuitos eléctricos de aplicación
3. BIBLIOGRAFIA
17
24
31
81
90
99
118
153
183
200
229
242
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1. DESCRIPCIÓN DEL ENTRENADOR
El entrenador MASTERLAB-4500 es un sistema didáctico modular para el estudio
teórico-práctico de las instalaciones eléctricas industriales.
Está basado en un conjunto de módulos para la realización de múltiples prácticas de
automatismos eléctricos y electrónicos. Cada módulo incorpora los componentes
necesarios y su panel frontal representa la simbología correspondiente. Sus hembrillas de seguridad de 4 mm., así como el conjunto de cables de doble clavija suministrados, permiten realizar las interconexiones conforme a los esquemas propuestos
en las prácticas. La figura 1.1 muestra un ejemplo de lo indicado.
La condición modular del entrenador permite emplear módulos comunes con otros
entrenadores por razones de índole económico. Por ejemplo, si el centro formativo
dispone de otros entrenadores de la serie MASTERLAB-XXXX, o bien la dotación a
recibir incluye varios, no se suministran los que se repiten, salvo otro acuerdo, ya
que se considera que no se efectuarán prácticas de niveles diferentes al mismo
tiempo. Por tal motivo, en el apartado siguiente se indican los módulos necesarios
para las prácticas que se proponen en este manual, independientemente de
que se incluyan como dotación o como un conjunto para diversos entrenadores, en los que se repite esta situación. Por razones obvias, si se adquiere separadamente el MASTERLAB-4500, este incluirá todos los módulos necesarios.
El capítulo 2 recoge un conjunto de descripciones básicas a modo de conocimientos
soporte y de prácticas, en las que se indica la finalidad, la descripción del montaje,
los módulos que son necesarios instalar en el bastidor vertical de prácticas y los procedimientos de montaje y comprobación, Los docentes añadirán a esto los conceptos y procedimientos que consideren en función de sus objetivos de estudio. 3EEquipos Electrónicos Educativos pone a disposición de los docentes su línea permanente
de
comunicación
con
el
departamento
técnico
([email protected]) para todo lo que los profesionales de la enseñanza deseen formular sobre las posibilidades didácticas de sus equipos.
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Fig. 1.1 Ejemplo de interconexión entre módulos. Los que figuran aquí son un mero ejemplo y no tienen por que coincidir con los módulos de este entrenador
PANEL
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1.1 PROPÓSITO DIDACTICO
El entrenador MASTERLAB-4500 se ha configurado para permitir la realización de
los siguientes grupos de acciones de enseñanza-aprendizaje:
ƒ
Identificación de los componentes básicos y específicos y asociación con su
función.
ƒ
Interpretación de la simbología de los componentes eléctricos y electrónicos.
ƒ
Experimentos básicos de electricidad estática.
ƒ
Medida de los parámetros básicos en corriente alterna y continua.
ƒ
Montajes básicos y avanzados de corriente continua.
ƒ
Análisis de la corriente alterna y experimentos básicos.
ƒ
Experimentos de electromecanismos.
ƒ
Experimentos con transformadores.
ƒ
Control de motores monofásicos y trifásicos.
ƒ
Montajes básicos y avanzados con componentes RLC en alterna.
ƒ
Montajes básicos de rectificación y filtrado.
ƒ
Montajes eléctricos básicos.
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1.2 REALIZACIÓN DE LAS PRÁCTICAS
Tal como se ha indicado en la introducción, las prácticas propuestas en el capítulo 3
se llevan a cabo instalando en el bastidor de sobremesa los módulos cuyos modelos
se indican y uniéndolos mediante los cables flexibles de doble clavija de 4 mm. suministrados. Para facilitar tal procedimiento, los módulos que intervienen tienen en
su frontal la simbología eléctrica en iguales condiciones a las de los esquemas de
las prácticas y hembrillas de 4 mm. en sus puntos de entrada o salida. En tales condiciones, es suficiente con unir mediante los indicados cables los puntos señalados
en el esquema de la práctica a realizar.
Por razones de seguridad se observará lo siguiente:
ƒ
El cableado entre módulos debe efectuarse sin tensión de alimentación.
ƒ
Cuando el cableado se ha completado, se debe repasar insistentemente hasta comprobar que no se han cometido errores.
ƒ
La tensión de alimentación de los montajes debe estar protegida por un interruptor magnetotérmico y otro diferencial y contener el cable de tierra.
ƒ
El módulo que recibe la alimentación monofásica o trifásica, recibirá así mismo el cable de tierra.
ƒ
Después de los puntos anteriores, se procederá a dar alimentación al montaje
realizado y llevar a cabo los procedimientos indicados para su análisis.
1.3 INSTRUMENTACIÓN COMPLEMENTARIA
El entrenador incorpora dos instrumentos de medida de tensión y corriente en AC y
DC. Sin embargo, para algunas prácticas se hace necesario cumplimentarlo con un
polímetro para la medida de continuidad y de resistencia y con un osciloscopio para
visualizar y medir la corriente alterna.
Las prácticas de electrotecnia con componentes RLC tienen como base la corriente
alterna de la red. Sin embargo, el profesor podrá proponer prácticas de filtros RC o
LC para otras frecuencias, para lo que será necesario incorporar un generador de
señales.
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1.4 MÓDULOS DE PRÁCTICAS
Las prácticas en el entrenador MASTERLAB-4500 están basadas en un conjunto de
módulos que se instalan en el bastidor vertical. Cada módulo incorpora un componente comercial y su panel frontal reproduce el esquema eléctrico, con hembrillas de
seguridad de 4 mm. para las interconexiones.
Se instalan introduciéndolos en la fijación inferior del bastidor y atornillándolos en la
superior, tal como muestra la figura 1.2.
1.2 Detalle de situación de los módulos en el bastidor
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Los módulos que son necesarios para realizar las prácticas contenidas en este manual son los siguientes:
RELACION DE MÓDULOS
1
K7
Kit de electromagnetísmo, con un grupo motor/generador de DC.
1
K8
Kit de transformador desmontable
1
M-25
Motor monofásico
1
M-26/02 Motor universal
1
M-380
Motor trifásico
1 MATM-38 Módulo de alimentación
1
MC-3
Módulo con inductancias
1
MC-5
Módulo con condensadores
1
MC-18
Módulo de iluminación
1
MCT-10 Kit de electroestática
1
ME-17N Módulo con tubo fluorescente.
1
MM
Múltimetro digital
1
MR-2
Módulo con diodos rectificadores
1
MR-25
Módulo con componentes resistivos
1
RL-1
Módulo con reles
1
TRB-03 Transformador didáctico trifásico
(*) Los Kit K7 y K8 están contenidos en el mismo maletín.
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K7
KIT DE ELECTROMAGNETISMO, CON GRUPO
MOTOR/GENERADOR
Este kit está basado en un circuito impreso con los componentes vistos, y contiene
lo siguiente:
• Carrete con dos bobinas
para las prácticas de electromagnetismo
• Imán giratorio.
• Grupo de motor/generador
con sus ejes unidos
K8
KIT DE TRANSFORMADOR DESMONTABLE
Composición:
Núcleo en “U”
Bobina de 1000 espiras
Bobina de 2000 espiras
Cierre de núcleo en “I”
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M-25
MOTOR MONOFÁSICO
Motor con arranque por condensador de las siguientes características:
Alimentación: 110-220 V
Revoluciones: 1550 rpm
Potencia:
M-26/02
0’27 CV
MOTOR UNIVERSAL ABIERTO
Motor universal abierto por los costados para poder ver su contenido, especialmente
las escobillas. Sus características son:
Alimentación: 110-240 V AC, DC
Revoluciones: 750 rpm
Potencia:
0’3 CV
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M- 380
MOTOR TRIFÁSICO DE JAULA DE ARDILLA
Motor trifásico de jaula de ardilla montado sobre bancada, con las hembrillas y serigrafía en el frontal. Sus especificaciones principales son:
ƒ
Tensión de alimentación: 230/400 V
ƒ
Potencia:
0’5 CV 0,30 KW
ƒ
Velocidad:
1500 rpm a 50 Hz
MATM-38
MÓDULO DE ALIMENTACIÓN DE CORRIENTE
ALTERNA Y CONTINUA
Módulo de alimentación que incorpora las siguientes fuentes:
DC
AC
• 24 V, 2 A
• 0-20 V, 2 A
• 15 + 15 V, 0’5 A
• 24 V, 2 A
Salida de red a la tensión de alimentación.
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MC-3
MÓDULO CON INDUCTANCIAS
Módulo con nueve inductancias de diferentes valores para efectuar prácticas en corriente alterna. Sus valores son:
L1 = 1 mH
L2 = 1 mH
L3 = 1 mH
L4 = 10 mH
L5 = 10 mH
L6 = 10 mH
L7 = 18 mH
L8 = 33 mH
L9 = 45 mH
MC-5
MÓDULO CON CONDENSADORES
Módulo que incorpora siete condensadores no polarizados de 400 V, y dos polarizados de 385 V.
NO POLARIZADOS
C1 = 56K, 400 V
C2 = 56K, 400 V
C3 = 100K, 400 V
C4 = 100K, 400 V
C5 = 220K, 400 V
C6 = 270K, 400 V
C7 = 470K, 400 V
POLARIZADOS
C8 = 220 µF, 385 V
C9 = 470 µF, 380 V
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MC-18
MÓDULO DE ILUMINACIÓN A 24 V
Módulo destinado a las prácticas básicas de instalaciones de iluminación y similares,
con alimentación a 24 V, que incorpora los siguientes componentes:
4 Lámparas de bayoneta de 24 V
2 Interruptores de palanca
2 Conmutadores
1 Conmutador de cruce
1 Pulsador
1 Zumbador
MCT-10
KIT DE ELECTROSTÁTICA
Maletín para prácticas de electricidad que contiene lo siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
Láminas de acetato
Láminas de aluminio
Electrómetro
Barra de ebinita
Barra de plexiglas
Base vertical y gancho
Bolas
Piel de gato
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ME-17N
MÓDULO CON TUBO FLUORESCENTE
Módulo con un tubo fluorescente de 5 W, dotado de cebador y reactancia. Este
equipo es para alimentación a red.
MM
MULTIMETRO DIGITAL
Múltimetro digital de 3 ½ dígitos, con cables terminados en
hembrillas de 4 mm. Las hembrillas que se conectan a los
módulos son dobles para facilitar interconexiones:
Nota:
El modelo puede cambiar por necesidades del mercado,
pero mantendrá, como mínimo, las especificaciones de
este.
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MR-2
MÓDULO CON SEIS DIODOS RECTIFICADORES
Módulo que incorpora seis diodos rectificadores de 20 A.
MR-25
MÓDULO CON COMPONENTES RESISTIVOS
Módulo con resistencias fijas y variables de los siguientes valores:
FIJAS
R1 = 47
R2 = 100
R3 = 470
R4 = 1 K
R5 = 1 K
R6 = 10 K
R7 = 10 K
R8 = 10 K
R9 = 18 K
R10 = 22 K
R11 = 47 K
R12 = 68 K
R13 = 100 K
R14 = 150 K
Potencia = ½ vatios
VARIABLES
LINEALES
P1 = 330, 5 W
P2 = 4K7, 0’5 W
LOGARITMICAS
P3 = 2200, 0’5 W
P4 = 10 K, 0’5 W
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Rl-1
MÓDULO CON RELÉS
Módulo que incorpora dos relés conmutadores de las siguientes características:
• Tensión: 24 V AC
• Corriente de los contactores: 8 A
TRB-03 TRANSFORMADOR DIDÁCTICO TRIFÁSICO
Equipo basado en un transformador didáctico trifásico, con un panel frontal que reproduce la simbología de los tres transformadores y que incorpora hembrillas de
4 mm. para las interconexiones.
Características:
• Primarios:
220-380 V.
• Secundarios: 3x73 V por rama
• Potencia:
500 W.
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2. PRÁCTICAS
2.1 Prácticas de electricidad estática
2.2 Prácticas preparatorias de electricidad dinámica
2.3 Prácticas de corriente continua
2.4 Prácticas de capacidad eléctrica
2.5 Prácticas de corriente alterna
2.6 Prácticas de magnetismo, electromagnetísmo e inducción electromagnética
2.7 Prácticas con transformadores
2.8 Prácticas con motores
2.9 Prácticas con circuitos RLC
2.10 Prácticas de rectificación y filtrado
2.11 Prácticas de circuitos eléctricos de aplicación
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2.1 PRÁCTICAS DE ELECTRICIDAD ESTÁTICA
FUNDAMENTOS
Práctica nº 2.1.1
Experimentos en electricidad estática
Práctica nº 2.1.2
Comprobación de la electricidad estática con electroscopio y
electrómetro.
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2.1 FUNDAMENTOS
Es una manifestación física que se produce en los componentes elementales de la
materia, lo que los griegos denominaban indivisible; los átomos que constituyen lo
orgánico y lo inorgánico. Electricidad supone desequilibrio de cargas si es estática o
movimiento de electrones por un conductor si es dinámica.
Así, considérense dos ejemplos
1º Un objeto de plástico, tal como la envoltura de un bolígrafo se flota sobre un cuerpo de piel de animal, por ejemplo lana. Tal objeto ha perdido su condición inicial de
neutro y se ha electrificado, lo que se manifiesta por la atracción que ejerce, por
ejemplo, sobre pequeños trozos de papel. Esta condición pone a su vez de manifiesto otra propiedad de la materia, que es:
• Cargas iguales se repelen
• Cargas contrarias se atraen
En este ejemplo se pone de manifiesto la electricidad estática
2º En un generador eléctrico compuesto por imánes y bobinas girando a su alrededor, el campo magnético desplaza electrones de un extremo a otro de los cables
conductores de las bobinas, generando diferencia de potencial o tensión eléctrica
ante cada revolución. Es esta la electricidad de tipo dinámico que se puede utilizar
externamente, haciéndola circular por los conductores y, desde estos, a las aplicaciones.
En efecto. Sin la influencia de fuerzas externas de tipo electrostático, magnético,
térmico o similar, los electrones mantienen su neutralidad de cargas. La carga positiva de su núcleo está en equilibrio con la negativa de los electrones que orbitan sobre
el. Sin embargo, si se influencia y pierden electrones queda cargado positivamente y
si se le añaden adquieren carga negativa. El par electrón-hueco referido al electrón
extraído y al hueco dejado en su átomo correspondiente es la electricidad, independiente de que se produzca por procedimientos electrostáticos de atracción o repulsión de fuerzas como por efectos electromagnéticos, con los que se consigue arrancar electrones y dar lugar a la diferencia de potencial y, con ello, a la corriente eléctrica cuando se permite que se recombinen (que los átomos recuperasen sus electrones perdidos) a través de la carga, la cual puede ser una simple bombilla o los
complicados circuitos electrónicos.
2.1.1 Carga eléctrica
La carga eléctrica es, por tanto, la diferencia de electrones que tiene un cuerpo, los
cuales han sido desplazados por cualquier procedimiento. Su unidad es el Columbio,
que corresponde a una diferencia de 6’3 x 1018 electrones.
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En esta la unidad básica de la electricidad.
Sin embargo, si la electricidad es dinámica, como la producida en el generador del
ejemplo anterior, se indica la cantidad por unidad de tiempo, que es:
1 Amperio = Columbio/segundo
2.1.2 Campo eléctrico
Respecto al ejemplo inicial de la electrización por flotación de un bolígrafo sobre un
cuerpo de piel de animal, esa situación ha dado lugar a la aparición de un campo
eléctrico, el cual se define como la región del espacio en la que una carga está sometida a una fuerza de naturaleza eléctrica.
2.1.3 Corriente eléctrica y magnitudes fundamentales
Se ha definido la electricidad como la consecución de desequilibrio de los electrones
de la materia conductora por cualquier procedimiento.
Tal condición da lugar a una magnitud de primer orden: la denominada diferencia de
potencial o tensión eléctrica (V). A su vez, el número de cargas eléctricas por unidad
de tiempo que se desplazan por un conductor es la corriente eléctrica (A). Una tercera magnitud fundamental es la resistencia eléctrica –R-, la cual se define como la
oposición que presentan los conductores al paso de la corriente eléctrica. Su unidad
es el Ohm. En concreto.
V=
Diferencia de potencial, expresado en voltios.
I=
Intensidad de la corriente (de electrones) que circula por un conductor
por unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A).
R=
Resistencia que presentan los conductores al paso de la corriente eléctrica, en Ohm.
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PRACTICA Nº2.1.1
EXPERIMENTOS EN ELECTRICIDAD ESTÁTICA
Finalidad:
Experimentar las propiedades que adquieren los cuerpos al ser flotados.
Descripción:
Conforme a lo indicado en la introducción, cuando se flotan entre si, dos cuerpos de
diferente naturaleza se produce en ellos alteración de cargas, con lo que se electrizan.
Para los experimentos de esta práctica, se tendrán en cuenta las siguientes condiciones:
• Al flotar una barra de ebonita con piel de animal queda cargada negativamente (la
piel ha cedido electrones).
• Al flotar una barra de plexiglas con la superficie de acetato, la primera queda cargada positivamente (ha cedido electrones al acetato).
• Como consecuencia de lo anterior, la piel queda cargada positivamente y el acetato de forma negativa.
Fig. 2.1 Ejemplo de experimentación de la electricidad electrostática
Equipamiento necesario:
ƒ
MCT-10 Maletín de electroestática
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Procedimientos:
a) Flotar la barra de ebonita con la piel de animal y acercarla a pequeños trozos de
papel dispuestos sobre la superficie de la mesa y comprobar que los atrae como
consecuencia de la carga eléctrica adquirida.
b) Repetir la operación, pero ahora con la barra de plexiglas flotada sobre la superficie de acetato. El efecto debe ser el mismo.
c) Montar el péndulo electroestático (ver figura 2.1) y después acercar la barra de
ebinita previamente electrizada a la bola, comprobando que la atrae para después repelerla. Repetir la operación electrizando la barra de plexiglas, con el mismo resultado.
d) Tocar la bola con la barra de ebonita electrizada y después acercarle la de plexiglas, comprobando que se repelen.
NOTAS:
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PRACTICA Nº2.1.2
COMPROBACIÓN DE LA ELECTRICIDAD ESTÁTICA CON
ELECTROSCOPIO Y ELECTRÓMETRO
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento del electroscopio y del electrómetro ante electricidad
estática.
Descripción:
El electroscopio es un sencillo útil destinado a determinar de forma cualitativa el estado de carga de un cuerpo. Está formado por dos ligerísimas láminas de aluminio
las cuales se separan al tocarla con un cuerpo cargado, poniendo de manifiesto que
cargas del mismo signo se repelen. La figura 2.2 a) lo muestra.
Fig. 2.2 a) Electroscopio
El ángulo que forman las láminas al separarse es proporcional al valor de la carga.
Si se les dota de una escala graduada, constituirán un instrumento de medida denominado electrómetro, que es el segundo instrumento a emplear en esta práctica.
La figura 2.2 b) lo muestra.
Equipamiento necesario:
ƒ
MCT-10. Maletín de electrostática
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Fig. 2.2 b) Electrómetro
Procedimientos:
a) Cortar dos tiras de 6 cms x 0’5 mm. de papel de aluminio idénticas y fijarlas al
gancho con algún tipo de cinta adhesiva, para quedar conforme a la figura 2.2 a).
b) Flotar la barra de ebonita con la piel de animal y tocar con ella la parte superior
del electroscopio, comprobando que las láminas se separan un ángulo dependiente de la carga electrostática. Repetir la operación con la barra de plexiglas
después de flotarla sobre la superficie de acetato.
c) Repetir la operación con las dos barras, pero ahora con un instrumento de laboratorio como es el electrómetro. Sus láminas son en este las interiores, las cuales
se separan con un ángulo determinado por la carga
NOTAS:
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2.2
PRÁCTICAS PREPARATORIAS DE ELECTRICIDAD DINÁMICA
Práctica nº 2.2.1
Identificación de los componentes del entrenador
Práctica nº 2.2.2
Preparación de la alimentación y de los instrumentos de medida.
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PRACTICA Nº2.2.1
IDENTIFICACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL ENTRENADOR
Finalidad:
Identificar todos los componentes del entrenador y asociarlos con su función.
Descripción:
El entrenador está compuesto por los siguientes componentes:
1
BT-6. Bastidor vertical de sobremesa
MÓDULOS INSTALABLES EN EL BASTIDOR
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1 MR-2. Módulo con diodos
1 MC-3. Módulo con inductancias
1 MC-5. Módulo con condensadores
1 MC-18. Módulo de iluminación
1 ME-17N. Módulo con tubo fluorescente
1 MR-25. Módulo con componentes resistivos.
1 MATM38. Módulo de alimentación.
1 RL-1. Módulo con relés.
1 MM. Múltimetro digital.
MÓDULOS Y EQUIPOS DE SOBREMESA
•
•
•
•
1 K7. Módulo de electromagnetísmo, con motor/generador.
1 K8. Transformador desmontable.
1 MCT-10. Maletín de electrostática.
1 TRB-03. Transformador didáctico trifásico
MOTORES
• 1 M-380. Motor trifásico de jaula de ardilla.
• 1 M-25. Motor monofásico abierto.
• 1 M-26/02. Motor universal.
OTROS
• Conjunto de cables de interconexión de banana a banana.
• Cables con conector BNC a hembrillas de 4 mm.
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Equipamiento necesario:
ƒ
MASTERLAB-4500 completo
Procedimientos:
a) Identificar el bastidor de prácticas BT-6 y llevar a cabo las siguientes acciones:
• Localizar los raíles inferiores de sujeción de los módulos. Para detalles ver
la figura 1.1 del capítulo 1.
• Localizar las filas de tuercas prisioneras para enclavar los módulos. Para
detalles ver la figura 1.1 del capítulo 1.
b) Identificar los módulos instalables en el bastidor y llevar a cabo las siguientes
acciones:
• Identificar su simbología.
• Localizar sus hembrillas de conexión asociada a los componentes.
c) Identificar el Kit de electromagnetismo y motor generador K7 y llevar a cabo las
siguientes acciones:
• Identificar la bobina y su simbología.
• Identificar el imán giratorio. Moverlo con la mano para observar su mecánica.
• Identificar las hembrillas de conexión asociadas.
• Identificar el conjunto motor/generador.
d) Identificar el Kit K8 y, en él, localizar todos los componentes del transformador
desmontable. Tales componentes son:
• 1 Bobina de 1000 espiras
• 1 Bobina de 2000 espiras
• 1 Núcleo en “U”
• 1 Cierre de núcleo en “I”
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e) Identificar el multimetro MM y, en el, lo siguiente:
• Los rangos de medida..
• Los tipos de medida que realiza
• Las hembrillas de 4 mm. en ambos extremos. Las que se conectan a los
módulos son dobles para facilitar interconexiones.
f) Identificar el motor trifásico M-380 y, en el, las hembrillas y la serigrafía de las
bobinas.
g) Repetir operaciones para los motores M-25/02 y M-26.
h) Identificar los cables de interconexión, que corresponden a los siguientes:
• Cable de red con tres hembrillas (dos de alimentación y una de tierra) para
la alimentación.
• Cables de clavija dobles de 4 mm.
• Cable de clavija de 4 mm. en un extremo y de 2 mm. en el otro.
• Cables con conector BNC a hembrillas de 4 mm.
NOTAS:
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DETALLE DE LOS DOS MÓDULOS DE ALIMENTACIÓN Y MEDIDAS
MATM-38
MM-2
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PRACTICA Nº2.2.2
PREPARACIÓN DE LA ALIMENTACIÓN Y DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA
Finalidad:
Instalar el módulo de alimentación necesario para las prácticas de este capítulo y
comprobar el primero midiendo sus tensiones de salida.
Descripción:
Las tensiones continuas necesarias para las siguientes prácticas las proporciona el
módulo MATM-28, el cual dispone de las siguientes fuentes:
DC
AC
• 24 V, 2 A
• 0-20 V, 2 A
• 15 + 15 V, 0’5 A
• 24 V, 2 A
Sus hembrillas negras son para los negativos y las rojas para los positivos, y las
azules para la alterna.
Este módulo incorpora así mismo hembrillas verdes para salida de la tensión de red
de entrada.
Equipamiento necesario:
ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MM. Múltimetro digital.
ƒ
Cables de interconexión
Procedimientos:
a) Instalar el módulo MATM-38 en el bastidor de prácticas siguiendo el procedimiento indicado en el capítulo 1, figura 1.1 y alimentar el primero con la tensión de
red. Prestar mucha atención al cable de tierra, conectándolo a su hembrilla
correspondiente.
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Como se ha indicado en el capítulo 1, la toma de suministro de energía para
el entrenador tiene que estar protegida por un interruptor magnetotérmico y
otro diferencial conforme al reglamento del país de utilización.
b) Proceder a medir la tensión continua (DC) de la fuente fija y de la variable. Para
esta última, girar de uno a otro extremo el potenciómetro asociado y comprobar
que el margen de tensión es el indicado.
c) Comprobar ahora las tres salidas de tensión alterna, que son:
• La de la red, indicada como tal.
• La de 15 + 15 V, con cero central.
• La de 24 V.
NOTAS:
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2.3
PRÁCTICAS DE CORRIENTE CONTINUA
Práctica nº2.3.1
Instalación del módulo de componentes resistivos
Práctica nº2.3.2
Verificación de la ley de Ohm
Práctica nº2.3.3
Resistencia total de un circuito serie
Práctica nº2.3.4
Resistencia de un circuito paralelo
Práctica nº2.3.5
Resistencia total de un circuito serie/paralelo
Práctica nº2.3.6
Medida de la potencia de un circuito resistivo
Práctica nº2.3.7
Conexión de lámparas en serie
Práctica nº2.3.8
Conexión de lámparas en paralelo
Práctica nº2.3.9
Conexión de lámparas en serie/paralelo
Práctica nº2.3.10
Análisis de la curva de respuesta de las resistencias variables
Práctica nº2.3.11
Lámpara con iluminación variable
Práctica nº2.3.12
Análisis de un divisor de tensión.
Práctica nº2.3.13
Sistemas de simplificación:
1. Aplicación de la primera ley de Kirchhoff
Práctica nº2.3.14
Sistemas de simplificación:
2. Aplicación de la segunda ley de Kirchhoff
Práctica nº2.3.15
Sistemas de simplificación:
3. Teorema de Thevenin y Norton.
Práctica nº2.3.16
Aplicación del teorema de superposición.
Práctica nº2.3.17
Circuitos resistivos en triángulo.
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FUNDAMENTOS
Las prácticas de este capítulo están orientadas a la medida de las magnitudes básicas de resistencia eléctrica (R), tensión (V) y corriente (I). Para tal finalidad se propone un conjunto de prácticas de montaje con componentes resistivos del módulo
MR-25 alimentados con el módulo MATM-38 y cuyas medidas de las indicadas magnitudes se efectuarán con el módulo MM-2, que incorpora un voltímetro y un amperímetro, ambos de configuración analógica.
RESISTENCIA ELÉCTRICA Y RESISTENCIAS
Por definición, la resistencia eléctrica es la oposición que presentan los cuerpos
conductores al paso de la corriente eléctrica. George Simón Ohm observó la relación entre el voltaje aplicado a un conductor y la resistencia que presenta y, como
consecuencia, la corriente que circula por el y estableció la ley que lleva su nombre,
cuyas expresiones son:
V
V=R.I
I=
V
R=
R
I
Donde;
V = Tensión eléctrica en voltios.
I = Intensidad de corriente en amperios.
R = Resistencia eléctrica (del conductor) en Ohm.
Así, a modo de ejemplo:
“La resistencia que presenta un conductor sobre el que hay una diferencia de
potencial de 1 voltio y por el que circula una corriente de 1 Amperio es de 1
Ohm”.
La resistencia eléctrica que presentan los conductores depende de su naturaleza, de
su longitud y de su sección. Así:
L
R=ρ
S
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Donde;
ρ = Coeficiente de resistividad del material
L = Longitud del conductor.
S = Sección del conductor.
Resistencia es, por tanto, la oposición expulsada en Ohm que presenta un conductor
al paso de la corriente eléctrica y, también, en el lenguaje actual, el componente fabricado con esa propiedad, el cual se destina, por ejemplo, a la reducción de la tensión eléctrica. Así, considérese el siguiente montaje, figura 2.3.
Fig. 2.3 Circuito eléctrico en el que intervienen una resistencia.
Interviene una batería de 12 V con la que se pretende alimentar una lámpara de 4 V,
0’5 A, lo que justifica el empleo de una resistencia eléctrica para que queden entre
sus extremos los 8 V restantes.
V
Si
R=
12 – 4
=
I
8
=
I
= 16 ohm
0’5
¡Demostración de que sobre la resistencia queda una diferencia de potencial de 8 V.
V = R . I = 16 . 0’5 = 8
Esta es, por tanto, la base de la ley de Ohm.
TIPOS DE RESISTENCIAS
Referido a los componentes comerciales que presentan resistencia eléctrica –las
resistencias- se pueden considerar formadas por tres grupos, que son:
• Resistencias fijas. Corresponde este grupo a los componentes cuyo valor, expresado en Ohm, es fijo. Diferentes sistemas de marcado dan indicación de su valor.
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Como todos los conductores, presentan alteración con los cambios de temperatura, pero su valor es despreciable en aplicaciones cotidianas.
Fig. 2.4 Símbolo de las resistencias
• Resistencias variables. Son componentes resistivos cuyo valor se puede variar
desde cero hasta el máximo mediante un procedimiento mecánico.
Están basados estos componentes en pistas longitudinales o circulares de material resistivo, con contactos en los extremos y un cursor para desplazarse por todo
el cuerpo. Su símbolo es el de la figura 2.5.
Fig. 2.5 Simbología de las resistencias variables
Estas resistencias presentan dos condiciones, que son el procedimiento mecánico
para barrer el cuerpo y por tanto para obtener todo su rango de resistencia, y la ley
de variación.
El procedimiento mecánico puede ser un simple cursor metálico con una hendidura para un destornillador o similar, o bien un eje para un botón de mando.
En el primer caso, la resistencia variable se emplea en el interior de los equipos,
para el ajuste preciso a un determinado voltaje o similar, y el segundo para los
mandos frontales de usuario, por ejemplo el de volumen de audio de un receptor
de radio.
En cuanto a la ley de variación, esta puede ser lineal, representando que los incrementos de valor son iguales si lo son los desplazamientos de su eje, y de variación logarítmica.
• Resistencias dependientes de parámetros externos. Corresponde este grupo a
resistencias especiales que presentan un valor dependiente de parámetros tales
como la temperatura, la luz o la tensión entre sus extremos. Los componentes
más representativos de este grupo son:
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NTC =
Resistencia que presenta un coeficiente negativo con los incrementos
de temperatura.
PTC =
Como lo anterior, pero con coeficiente positivo.
Ambos componentes se emplean en el control de temperaturas, ya que
su valor depende de tal parámetro.
VDR =
Resistencia cuyo valor, con coeficiente negativo, depende de la tensión
aplicada a sus extremos.
LDR =
Resistencia cuyo valor depende de la luz que incida sobre su cuerpo,
Presenta coeficiente negativo.
INDICACION DEL VALOR DE LAS RESISTENCIAS
La indicación del valor de las resistencias comerciales puede adoptar tres formas,
que son:
• Valor numérico. Sobre el cuerpo se escribe el valor en Ohm o en alguno de sus
múltiplos o submúltiplos.
• Valor en franjas de colores. Corresponde al sistema más empleado. Un conjunto
de cuatro franjas de colores permite indicar todos los valores estándar comerciales
y su tolerancia. La figura 2.6 lo representa.
Fig. 2.6 Franjas para indicar el valor de las resistencias
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La lectura comienza desde la franja más próxima a un extremo de la resistencia. En
cuanto a los colores y su correspondencia numérica, estos son los siguientes:
Color
Asignación numérica
Negro
Marrón
Rojo
Naranja
Amarillo
Verde
Azul
Violeta
Gris
Blanco
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Las dos primeras franjas expresan su valor numérico, la tercera es su factor multiplicador y la cuarta, si la tiene, la tolerancia, cuya condición es:
Sin franja = ± 20%
Dorado = ± 5%
Plateado = ± 10%
Así, considérese el siguiente ejemplo:
Fig. 2.7 Ejemplo de colores
Su valor es:
27 000 ohm
Multiplicador
Ya que,
Rojo = 2
Violeta = 7
Naranja = 000
Con una tolerancia del 5%.
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CARACTERÍSTICAS BÁSICAS
Las resistencias eléctricas se distinguen por tres parámetros básicos, que som:
• Valor. Resistencia que presenta expresada en Ohm, en Kohm (X1000) o en
Mohm (X1000000).
• Tolerancia. Error máximo que puede presentar respecto al valor marcado.
• Potencia. Indicación en W de la disipación de potencia máxima que puede soportar el cuerpo del componente.
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PRACTICA Nº2.3.1
INSTALACIÓN DEL MÓDULO DE COMPONENTES RESISTIVOS
Finalidad:
Instalar el módulo de componentes resistivos MR-25 para identificarlos y asociarlos
con su función.
Descripción:
El módulo MR-25 incorpora los siguientes componentes resistivos:
RESISTENCIAS FIJAS
R1 = 47
R2 = 100
R3 = 470
R4-R5 = 1000
R6 = 10 K
R7 = 10 K
R8 = 10 K
R9 = 18 K
R10 = 22 K
R11 = 47 K
R12 = 68 K
R13 = 100 K
R14 = 150 K
RESISTENCIAS VARIABLES
LINEALES
LOGARITMICAS
P1 = 330, 5 W
P2 = 4K7, 0’5 W
P3 = 2200, 0’5 W
P4 = 10 K, 0’5 W
Equipamiento necesario:
ƒ
MR-25. Módulo de componentes resistivos.
ƒ
MM. Multímetro digital
Procedimientos:
a) Instalar el módulo MR-25 en el bastidor de prácticas.
b) Identificar las resistencias fijas y, en ellas, su simbología y sus hembrillas.
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c) Identificar las resistencias variables y, en ellas, su simbologías y sus hembrilla.
Mover sus mandos operativos para comprobar el recorrido de las resistencias variables.
d) Mediante el multímetro, medir resistencias a elección entre las fijas y las variables.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.3.2
VERIFICACION DE LA LEY DE OHM
Finalidad:
Efectuar montajes de aplicación de la ley de Ohm y comprobarlos experimentalmente.
Descripción:
Se trata de obtener la corriente que circula intercalando un instrumento en medida
de corriente continua, por una asociación serie de resistencias, así como la caída de
tensión en cada una. Para eso, se recurrirá a la fórmula de la resistencia total de una
asociación serie de resistencias, que es la suma de las resistencias parciales. Así:
RT = R1 + R2 + R3 + Rn
El circuito propuesto es el de la figura 2.8.
Fig 2.8 Asociación de resistencias
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
•
MM. Multímetro digital
Procedimientos:
a) Instalar los módulos MATM-38 y MR-25, alimentando el primero con tensión monofásica.
b) Conexionar el circuito propuesto y aplicarle una tensión de 10 V desde la fuente
de corriente continua variable del módulo MATM-38.
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c) Medir la caída de tensión en las resistencias que intervienen, anotando el valor:
VR3 ______ V
VR4 ______ V
d) Con los valores de tensión, corriente y resistencia, verificar que se cumplen las
tres expresiones de la Ley de Ohm.
V
I=
V
V=R.I
R
R=
I
Llevar a cabo las operaciones necesarias para demostrarlo.
e) Repetir las operaciones para una tensión de alimentación de 6V.
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿La corriente que circula por las dos resistencias es la misma?. Dar explicación
que lo justifique.
2. ¿El amperímetro se puede colocar en cualquier punto del circuito, incluso en el
polo negativo?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.3 RESISTENCIA TOTAL DE UN CIRCUITO EN SERIE
Finalidad:
Asociar en serie un conjunto de resistencias y efectuar medidas de comprobación.
Esta práctica es complementaria a la anterior para hallar la tolerancia de las resistencias.
Descripción:
Dado que en una asociación serie de resistencias, la resistencia total o equivalente
es la suma de las resistencias parciales, la expresión es:
R = R2 + R23+ R4 + R6
El circuito propuesto es el de la figura 2.9.
Fig. 2.9 Asociación de resistencias
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
ƒ
MM. Multímetro digital
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Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen y alimentar el MATM-38 con tensión
monofásica.
b) Conexionar el circuito formado por R2, R3, R4, y R6 y medir la resistencia total
con el polímetro. Anotarla.
RT = ______
c) Calcular el valor teórico y compararlo con el obtenido experimentalmente para
hallar el error por tolerancia de las resistencias.
(%) de error = ______
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿El valor de las resistencias se mantiene constante ante los cambios de temperatura?.
2. ¿Qué significa una tolerancia de + 3%?. Explícalo.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.4
RESISTENCIA DE UN CIRCUITO EN PARALELO
Finalidad:
Asociar resistencias en paralelo y efectuar medidas de comprobación.
Descripción:
Realizar una asociación en paralelo de tres resistencias y hallar experimentalmente
la tolerancia que presenta el grupo.
La fórmula para obtener la resistencia de una asociación en paralelo formada por
tres resistencias es:
1
RT=
1
R1+R2+R3
El circuito propuesto es el de la figura 2.10.
Fig. 2.10 Resistencias en paralelo
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
ƒ
MM. Multímetro digital
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Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen y alimentar el MATM-38 con tensión monofásica.
b) Montar el circuito propuesto con las resistencias R2, R3, y R4.
c) Calcular mediante la expresión anterior el valor de la resistencia total y anotarlo.
RT = ______
d) Medir con el polímetro el valor de la resistencia total y compararlo con el obtenido
en el cálculo teórico. La posible diferencia solo puede ser debida a la tolerancia
de las resistencias. Hallar la tolerancia y anotar su valor.
(%) de error = ______
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.5 RESISTENCIA TOTAL DE UN CIRCUITO SERIE-PARALELO
Finalidad:
Asociar resistencias en serie y en paralelo y efectuar medidas de comprobación.
Descripción:
Realizar una asociación mixta formada por resistencias tanto en serie como en paralelo.
La técnica a emplear para obtener la RT es ir hallando resistencias equivalentes de
derecha a izquierda del circuito hasta obtener la resistencia equivalente final.
El circuito propuesto para esta práctica es el de la figura 2.11.
Fig. 2.11 Asociación mixta de resistencias
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
•
MM. Multímetro digital
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Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen y alimentar el MATM-38 con tensión monofásica.
b) Montar el circuito formado por R1, R2, R3, R4 y R5 y calcular el valor teórico de la
resistencia total del circuito. Anotar su valor.
RT = ______
c) Medir con el multímetro el valor de la resistencia total del circuito y compararlo
con el obtenido en el cálculo anterior. La posible diferencia solo puede ser debida
a la tolerancia de las resistencias. Hallar el valor del error, en porcentaje.
d) Aplicar una tensión de 10 V al circuito.
e) Calcular la corriente principal que circula por el circuito y después medirla. Pequeñas diferencias serán debidas a tolerancias, y grandes a errores en el montaje o a los cálculos. En ese caso, repetir operaciones.
f) Calcular la tensión que debe quedar en extremos de R1 y R2 y después medirlas
como comprobación. Su suma debe coincidir con la tensión del generador.
VR1 = ______
VR2 = ______
NOTA:
Tener en cuenta que R2 tiene en paralelo el resto de las resistencias,
excepto R1.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.6 MEDIDA DE LA POTENCIA EN UN CIRCUITO RESISTIVO
Finalidad:
Realizar un montaje de corriente continua que ponga de manifiesto las expresiones
que definen la potencia eléctrica.
Descripción:
La potencia, como presentación del trabajo realizado, puede expresarse del siguiente modo:
T=E.Q
donde,
T = trabajo en julios
Q = carga en culombios
E = energía
Y, como la potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo.
E.Q
Julios
P=
=
t
= vatios
segundos
Pero si se cambia la notación Culombios por segundo por amperios, se tiene la representación de la potencia eléctrica, que es:
P=E.I
La cual también puede expresarse de los siguientes modos:
E2
2
P=I R
P=
R
Las unidades empleadas son:
Vatio =
Kilovatio (KW) =
1
1000 = 103
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O en unidades inferiores al vatio, que son:
Picovatio (pW) = 10-9
Microvatio (µW) = 10-6
Milivatio (mW) = 10-3
Para poner de manifiesto la potencia, se hallará la consumida por una resistencia de
un circuito serie alimentado con 10 V. El circuito propuesto es el siguiente, figura
2.12:
Fig. 2.12 Circuito serie para calcular la potencia
Conforme a las expresiones anteriores, se hallará la potencia disipada por R1.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
ƒ
MM. Multímetro digital
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen y alimentar el MATM-38 con tensión monofásica.
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b) Calcular la corriente que circula por el circuito anterior.
c) Calcular las caídas de tensión en las resistencias.
d) Comprobar los parámetros anteriores, anotando los valores.
IT = ______
VR1 = ______
VR2 = ______
e) Con los datos obtenidos, calcular la disposición de R1, anotándola en vatios y en
milivatios.
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Las dos resistencias presentan la misma disipación de potencia?
2. ¿Se puede poner en el circuito resistencias preparadas para más disipación de la
real?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.7 CONEXIÓN DE LAMPARAS EN SERIE
Finalidad:
Efectuar un montaje de lámparas en serie alimentadas con 24 V de continua del módulo MATM-38.
Descripción:
Se emplearán dos lámparas de tipo bayoneta del módulo MC-18 alimentadas con
24V desde el módulo MATM-38. El circuito es el siguiente; figura 2.13.
Fig. 2.13 Conexión de lámparas en serie
Las dos lámparas tienen las mismas características eléctricas, por lo que la tensión
de la fuente se repartirá entre ellas.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MC-18. Módulo de iluminación
ƒ
MM. Multímetro digital
Procedimientos:
a) Instalar el módulo que interviene en la práctica.
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b) Cablear el circuito propuesto y llevar a cabo las siguientes acciones:
• Comprobar que las dos lámparas se iluminan con la misma intensidad.
• Medir la tensión en extremos de cada lámpara para comprobar el reparto de
tensiones, ya que sus características eléctricas son iguales.
• Medir la corriente que circula por el circuito y, con ello, calcular la resistencia que presenta cada lámpara.
V
R =
I
Anotar el valor.
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Se encenderían las dos lámparas con la misma intensidad si fuesen de características diferentes?.
2. ¿Si una de las lámparas fuese de más intensidad, se encenderían más o menos
que la otra?. Dar explicación que lo justifique.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.8 CONEXIÓN DE LAMPARAS EN PARALELO
Finalidad:
Efectuar un montaje de lámparas en paralelo alimentadas con 24 V de corriente continua del módulo MATM-38.
Descripción:
Se emplearán tres lámparas de tipo bayoneta del módulo MC-18 alimentadas con
24V desde el módulo MATM-38. El circuito es el siguiente; figura 2.14.
Fig. 2.14 Conexión de lámparas en paralelo
En este montaje, la condición es que las lámparas sean para la misma tensión, siendo indiferente su consumo.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MC-18. Módulo de iluminación
ƒ
MM. Multímetro digital
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Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Cablear el circuito propuesto y llevar a cabo las siguientes acciones:
• Comprobar que las lámparas se iluminan con la misma intensidad.
• Medir la corriente total y después las parciales para comprobar que las
lámparas tienen las mismas características.
IT =
IT = IL1 + IL2 + IL3
c) Calcular la resistencia total que presenta el circuito y comprobar que se cumple,
conforme a IT.
V
I =
V
;
R
R=
I
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Si las lámparas fuesen de voltajes diferentes, se alimentaría el circuito con el de
la más baja o el de la más alta?.
2. ¿Es el montaje paralelo, por que es indiferente la intensidad de las lámparas?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.9 CONEXIÓN DE LAMPARAS SERIE/ PARALELO
Finalidad:
Efectuar un montaje de lámparas en serie y en paralelo alimentadas con 24 V de
continua del módulo MATM-38.
Descripción:
El circuito propuesto es el de la siguiente figura 2.15.
Fig. 2.15 Montaje serie-paralelo
Dado que las características de las cuatro lámparas son iguales, se producirá un
reparto de tensiones entre los grupos L1-L2 y L3-L4 y la intensidad luminosa de las
cuatro será igual.
Sin embargo, si se desconecta L2 o L3, el circuito se desequilibra y con ello las tensiones en los dos grupos será distinta, lo mismo que su intensidad luminosa.
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MC-18. Módulo de iluminación
ƒ
MM. Multímetro digital
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Cablear el circuito propuesto y llevar a cabo las siguientes acciones:
ƒ
Comprobar que los dos grupos de lámparas se iluminan igual.
ƒ
Medir la tensión en cada grupo y comprobar que tiene el mismo valor y cuya
suma corresponde con la de la fuente.
ƒ
Medir la corriente total y, con ello, calcular la resistencia de cada lámpara, cuyo valor debe coincidir con el de las prácticas anteriores.
b) Desconectar la lámpara L2 y proceder a comprobar lo siguiente:
ƒ
Que el nivel de iluminación de L1 es diferente (mayor) que la del grupo L3-L4.
ƒ
Que el reparto de tensiones entre L1 y el grupo L3-L4 está desequilibrado
respecto de la situación anterior, aunque su suma sea igual a la de la fuente.
Anotar los valores.
VL1 =
VL3-L4 =
ƒ Dibujar el circuito equivalente con resistencias, indicando el valor que presenta L1 y L3-L4. Con ello calcular las caídas de tensión, las cuales deben coincidir con las medidas efectuadas.
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Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Por qué se enciende más L1 al desconectar L2?. Dar explicación que lo justifique.
2. ¿Se produciría el mismo efecto si se desconecta L4 en lugar de L1?
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.10 ANÁLISIS DE LA CURVA DE RESPUESTA DE LAS RESISTENCIAS VARIABLES
Finalidad:
Experimentar la variación de resistencia de potenciómetros del tipo lineal y logarítmico del módulo MR-25.
Descripción:
Se desea experimentar la variación del valor de los potenciómetros P2 y P4 del módulo MR-25 en función del desplazamiento del cursor. Cada desplazamiento del cursor da un valor del potenciómetro y un desplazamiento total del cursor da un valor
ohmico que corresponde al nominal. Hay que notar que la resistencia equivalente
entre los extremos del potenciómetro es igual al valor nominal del potenciómetro,
esté donde esté el cursor central.
A
B
C
Fig. 2.16 a) Simbología de la resistencia variable
Valor de los potenciómetros:
P2 = 4700 ohm, lineal
P4 = 10000 ohm, logarítmico
Equipamiento necesario:
•
MR-25. Módulo de componentes resistivos
ƒ
MM. Multímetro digital
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Procedimientos:
a) Instalar el módulo MR-25.
b) Girar el mando de P2 totalmente a la derecha y medir con el polímetro el valor
resistivo entre A y C, B y C y A y B, anotando las lecturas obtenidas.
A - C = _____
B – C = _____
A – B = _____
c) Girar ahora el mando totalmente a la izquierda y repetir la operación del punto
anterior.
A - C = _____
B – C = _____
A – B = _____
d) Respecto de la posición que ocupa el mando, girar ¼ su recorrido y medir entre A
y C y B y C, anotando los valores obtenidos.
A - C = _____
B – C = _____
e) Repetir la operación girando el mando ½ de recorrido primero y ¾ después,
comprobando con ello la curva de respuesta lineal del potenciómetro.
f) Repartir todas las operaciones empleando ahora P4, el cual es de variación logarítmica. Hallar experimentalmente su curva, que corresponde a la que se muestra
en la figura 2.16 b).
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Fig. 2.16 b) Curva de variación logarítmica de P3
La Ley de variación logarítmica sigue la siguiente ecuación:
R =Rn (1-10-α)
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Un potenciómetro logarítmico, presenta un valor mitad del nominal cuando está
situado en el centro de su recorrido?.
2. ¿Y uno lineal?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.11 LÁMPARA CON ILUMINACIÓN VARIABLE
Finalidad:
Efectuar un montaje de una lámpara con control de iluminación mediante una resistencia variable. Se alimentará con 24 V de continua desde el módulo MATM-38.
Descripción:
El circuito propuesto es el siguiente, figura 2.17
Fig. 2.17 Esquema del montaje propuesto
La resistencia variable es P1 del módulo de componentes resistivos MR-25.
Por razones ya conocidas, la tensión de la fuente se repartirá entre P1 y la lámpara.
A mayor valor de P1, menor será la corriente y con ello la diferencia de potencial sobre la lámpara, con repercusión sobre su iluminación. Así:
V=R.I
Donde la resistencia corresponde a la interna de la lámpara y es fija.
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MC-18. Módulo de iluminación
ƒ
MM. Multímetro digital
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Cablear el circuito propuesto y llevar a cabo las siguientes acciones:
ƒ
Girar el potenciometro de un extremo a otro para comprobar los niveles mínimo y máximo de iluminación de la lámpara.
ƒ
Fijar cuatro posiciones del potenciómetro y, para cada una de ellas, medir la
corriente en circulación y las caídas de tensión, anotando los valores.
Posición
1
2
3
4
I
VP1
VL1
Comprobar que, en todas las posiciones, la suma de las caídas de tensión corresponden a la de la fuente.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.12 ANALISIS DE UN DIVISOR DE TENSION
Finalidad:
Montar y analizar un divisor de tensión con dos resistencias, efectuando cálculos
teóricos de valores de tensión y corriente
Descripción:
Los divisores de tensión resistivos son empleados en las aplicaciones prácticas para
obtener valores de tensión diferentes a los de la fuente Ve. Naturalmente, para una
tensión VS a entregar por el divisor, ésta se mantendrá en su valor solo si lo hace la
carga conectada. Un ejemplo es el siguiente, figura 2.18.
Fig. 2.18 Divisor de tensión resistivo
La corriente que circula por las resistencias es:
Ve
IT =
R1 + R2
En el circuito se produce la siguiente igualdad:
VS
R2
=
Ve
R1 + R2
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Y, por tanto, la tensión de salida VS vale:
VS = Ve =
R2
R1 + R2
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
ƒ
MM. Multímetro digital
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Calcular el valor de VS para una tensión de la fuente de 10 V. Después montar el
circuito de la figura 2.18 y comprobarlo.
c) Se propone ahora aplicar una carga a VS, que será R3, con lo que cambia la corriente en circulación por el circuito y el valor de VS. Conectar R3 al circuito, conforme a la figura 2.19 y comprobar el cambio producido, el cual es constante, ya
que lo es el valor R3.
d) Poner ahora P2 en serie con R3, tal y como muestra citada la figura 2.19, para
formar un circuito de carga variable y llevar a cabo las siguientes acciones:
Fig. 2.19 Modificación del circuito anterior
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1. Poner el voltímetro en paralelo con R3.
2. Girar P2 para variar la carga y comprobar como varía la tensión VS como consecuencia de las variaciones de consumo.
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Por qué varía la tensión V3 con los cambios de carga?. Dar explicación que lo
justifique.
2. ¿Al mover P2, cambia el valor de la caída de tensión en R1?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.13
SISTEMAS DE SIMPLIFICACION:
1. APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF
Finalidad:
Efectuar un montaje para aplicar la primera ley de Kirchhoff.
Descripción:
La primera ley de Kirchhoff enuncia: “En todo nudo de unión de conductores, la suma de las corrientes que inciden es igual a la suma de las que se separan”.
3A
B
0’5 A
En el nudo siguiente inciden 3 A y se separan 0’5 A. ¿Qué corriente circulará hacia
B?.
3 = 0’5 + I; I = 2’5 A
Ejemplo de aplicación:
Fig.2.20 Circuito de aplicación
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
ƒ
MM. Multímetro digital
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Montar el circuito de la figura anterior y aplicarle dos fuentes (la fija de 24 V y la
variable ajustada a 12 V) del módulo MATM-38.
c) Calcular las corrientes que circulan por cada resistencia y las diferencias de potencia que quedan en sus extremos.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.14 SISTEMAS DE SIMPLIFICACION:
2. APLICACIÓN DE LA SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF
Finalidad:
Efectuar un montaje para aplicar la segunda ley de Kirchhoff.
Descripción:
Las leyes de Kirchhoff y los teoremas de la superposición, de Thevenin y de Norton
se emplean como herramienta de simplificación de circuitos resistivos complejos o
con más de un generador.
La segunda ley de Kirchhoff expresa “En todo lazo cerrado, la suma algebraica de
las fuerzas electricas que intervienen es igual a la suma de los productos R . I de
las resistencias que forman el lazo por las intensidades que recorren cada una”.
Un ejemplo es el siguiente, figura 2.21.
Fig. 2.21
Conforme a Kirchhoff:
E1 + E2 = (R1 I) + (R2 I)
15 V = 147 I, luego
V
I=
= 0’102 A
R
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MC-18. Módulo de iluminación
ƒ
MM. Multímetro digital
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Montar el circuito de la figura anterior en las siguientes condiciones:
E1 = Emplear la fuente fija de 24 V del módulo MATM-38.
E2 = Emplear la fuente variable (0-20 V) del mismo módulo, fijada a 15 V.
c) Calcular que tensión se debe aplicar a E2 para obtener la primera ley de Kirchhoff. Aplicarla y comprobar el funcionamiento del circuito.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.15 SISTEMAS DE SIMPLIFICACION:
3. TEOREMA DE THEVENIN Y NORTON
Finalidad:
Efectuar un montaje para aplicar los teoremas de Thevenin y de Norton.
Descripción:
Los teoremas de Thevenin y de Norton aportan procedimientos de simplificación de
circuitos resistivos complejos para obtener finalmente una resistencia equivalente.
Para Thevenin, la resistencia equivalente fruto de la simplificación está en serie con
la fuente, y para Norton en paralelo, tal como lo muestran las figuras 2.22 y 2.23:
Fig. 2.22
Las incógnitas son los valores de VTH, RTH, IN, RN, lo que se resuelve mediante los
circuitos anteriores, considerándolos sin carga, o lo que es lo mismo:
Fig. 2.23
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Las expresiones del circuito Thevenin son:
VTh = RTh ITh + Vab
pero, dado que por R∞ no puede circular corriente,
VTh = Vab = Voc
donde:
VOC = voltaje en circuito abierto
Y en el de Norton
Vab = RN IN
pero, dado que por R∞ no puede circular corriente,
VTh = Vab = Voc = RN IN
El proceso continua considerando ahora la disposición de un cortocircuito en la carga. Así:
Fig. 2.26
para el circuito de Thevenin se tiene:
ISC =
donde:
VTh
RTh
ISC = Corriente de cortocircuito.
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Dado que en el circuito de Norton toda la corriente circula por el cortocircuito, se tienen las siguientes condiciones.
ISC =IN =
VTh
RTh
VTH = IN RN
Se comprueba, por tanto, que la resistencia en serie de la equivalencia Thevenin es
igual a la que está en el paralelo del Norton.
Para determinar el valor de la resistencia equivalente se pueden aplicar los siguientes procedimientos:
a) Igualar a cero todas las fuentes independientes, sustituyéndolas por cortocircuitos o circuitos abiertos, tal como se ha indicado.
b) Determinar mediante métodos sencillos la resistencia equivalente.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
ƒ
MM. Multímetro digital
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Efectuar un montaje para experimentar el teorema de simplificación de Thevenin.
c) Efectuar un montaje para experimentar el teorema de simplificación de Norton.
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Cuestiones de autoevaluación:
1. Poner algunos ejemplos de aplicación práctica sobre lo expuesto de Thevenin y
Norton.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.16 APLICACIÓN DEL TEOREMA DE SUPERPOSICIÓN
Finalidad:
Experimentar y aplicar el teorema de superposición.
Descripción:
El teorema de superposición indica que, en un circuito con dos o más fuentes independientes, es posible calcular los valores de tensión y corriente que intervienen. Un
ejemplo de circuito al que se puede aplicar el indicado teorema es el siguiente, figura
2.27.
Fig. 2.27
El efecto que dos o más fuentes tienen sobre una resistencia es igual a la suma de
los efectos de cada fuente independiente, sustituyendo las fuentes restantes por cortocircuitos. Este enunciado del teorema ayuda a resolver las incógnitas. Por ejemplo,
hallar la tensión VX en extremos de R3. Los procedimientos para llevarlo a cabo son
los siguientes:
a) Analizar el circuito con una sola fuente, cortocircuitando la otra.
47
100
470
Fig. 2.28
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Dado que R2 y R3 se encuentran en paralelo, su resistencia equivalente está en serie
con R1, por lo que:
RPV1 =
VX1 =
R2 R3
y
R2 + R3
RPV1
RPV1 + R1
R1
b) Aplicar el mismo procedimiento para la segunda fuente.
Fig. 2.29
c) El circuito es el mismo que el anterior, con la excepción de que el paralelo ahora
es el formado por R1 y R3, por lo que:
RPV2 =
VX2 =
R1 R3
y
R1 + R3
RPV2
RPV2 + R2
R2
d) La solución es la suma:
VX = VX1 + VX2
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
ƒ
MM. Multímetro digital
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
Montar un circuito con dos fuentes procedentes del módulo MATM-38 y experimentar el teorema de la superposición. Una es fija de 24 V. y la otra es variable
entre 0 y 20 V. Fijar el valor a elección. Las resistencias serán R1, R2 y R3 del
módulo MR-25.
Cuestiones de autoevaluación:
1. Poner algunos ejemplos de aplicación práctica del teorema de la superposición.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.3.17 CIRCUITO RESISTIVO EN TRIÁNGULO
Finalidad:
Resolver la resistencia equivalente de un circuito resistivo en triángulo y comprobarlo
experimentalmente.
Descripción:
Dado el circuito de la figura 2.30, reducirlo a la resistencia equivalente dispuesta en
paralelo con la fuente de alimentación y, una vez obtenida, calcular la corriente que
circula por el circuito.
R1 = 47
R3 = 470
12 V
R2 = 100
R4 = 1K
R5 = 1K
Fig. 2.30
Las resistencias R1, R2 y R3 forman un triángulo. Ampliando las leyes de Kirchhoff
se pueden obtener las resistencias equivalentes de un circuito en forma de estrella,
tal como muestra la figura 2.31.
A
R1
R3
Ra
Rb
Rc
R2
C
B
Fig. 2.31
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R1 R3
Ra =
R1 + R2 + R3
R1 R2
Rb =
R1 + R2 + R3
R2 R3
Rc =
R1 + R2 + R3
Luego,
47 . 470
Ra =
= 35’8
47 + 100 + 470
47 . 100
Rb =
= 7’61
47 + 100 + 470
100 . 470
Rc =
= 76’17
47 + 100 + 470
Luego el circuito equivalente es:
Ra = 35’8
Rb = 7’61
Rc =76’17
R4 = 1K
R5 = 1K
Fig. 2.32
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Y, por tanto.
35’8
7’61
76’17
1K
1K
Fig. 2.33
(7’61 + 1000). (76,17 + 1000)
RT =
= 520’38
(7’61 + 1000). (76,17 + 1000)
35’8
520’38
Fig. 2.34
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
ƒ
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•
MR-25. Módulo con componentes resistivos
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Montar un circuito como el de la figura 2.30 pero con otros valores y llevar a cabo
las siguientes acciones:
-
Efectuar el cálculo teórico, anotando el valor.
-
Experimentar el circuito, comprobando primero el valor de la resistencia
equivalente, que debe coincidir con el del cálculo, y después medir la corriente que circula por el.
NOTAS:
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2.4
PRÁCTICAS DE CAPACIDAD ELÉCTRICA
Práctica nº 2.4.1
Análisis de la carga de un condensador.
Práctica nº 2.4.2
Análisis de la descarga de un condensador.
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CONSIDERACIONES PREVIAS
Independientemente de las formas comerciales en las que se presenten, se pueden
considerar dos tipos de condensadores:
•
Los polarizados, a los que hay que aplicarle necesariamente la polaridad correspondiente. Generalmente se denominan electrolíticos.
•
Los no polarizados, en los que no es preciso tener en cuenta la polaridad.
Estos condensadores a su vez pueden ser de valor fijo o variable, para lo que
se recurre a modificar la separación de sus armaduras mediante un procedimiento mecánico.
La representación de los condensadores descrita es la siguiente:
Fig. 2.35. Símbolo de los condensadores
La unidad de capacidad es el faradio (F), de la que existen los siguientes submúltiplos:
•
•
•
Microfaradio (µF) = 10-6
Nanofaradio (nF) = 10-9
Picofaradio (pF) = 10-12
Respecto de las características principales, estas son:
•
Capacidad. Valor del condensador.
•
Tensión nominal de trabajo. Corresponde a la tensión entre sus extremos
que pueden tener de modo continuo el condensador.
•
Tensión máxima. Valor de la tensión que el condensador puede soportar durante un tiempo especificado.
•
Tolerancia. Expresión en (%) de la alteración de su valor respecto de la especificada en el cuerpo de componente.
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Los condensadores pueden disponerse en serie y en paralelo, cuyo valor resultante
es el siguiente:
ASOCIACION EN SERIE
1
C1 C2
CT =
1
o
C1 + C2
1
+
C1
1
+
C2
C3
ASOCIACION EN PARALELO
CT = C1 + C2 + ……...
Fig. 2.36 Asociación de condensadores
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PRÁCTICA Nº 2.4.1
ANÁLISIS DE LA CARGA DE UN CONDENSADOR
Finalidad:
Experimentar el proceso de carga de un condensador a través de una resistencia, lo
que forma una constante de tiempo.
Descripción:
Se propone calcular teóricamente la evolución temporal del condensador durante el
proceso de carga de este. Se considera que en el instante inicial, el condensador no
tiene carga alguna, por lo que estará descargado totalmente, y por tanto
Vc (t = 0) = 0V. Se puede observar que cuando el condensador haya alcanzado un
tiempo igual a t = 5RC, se habrá cargado en su totalidad.
La evolución temporal del condensador sigue la siguiente ecuación:
Vc(t) = E (1-e-t/E)
Donde E representa la tensión de alimentación proporcionada por el generador de
corriente continua y e la constante de tiempo del proceso de carga del condensador.
La tensión de alimentación necesaria se tomará del módulo de alimentación
MATM-38.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MC-5. Módulo de condensadores
•
MC-18. Módulo de iluminación.
•
MR-25. Módulo de componentes resistivos
ƒ
MM. Multímetro digital
•
Cronómetro
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Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Dado el circuito de la figura 2.37, calcular la constante de tiempo RC, anotando el
valor.
Constante de tiempo = ______ s
c) Aplicarle al circuito 12 V, intercalar el amperímetro de MM-2 situado en medida
de corriente continua y medir con ayuda del cronómetro el tiempo de carga. Anotarlo.
Fig 2.37 Circuito propuesto
Después, calcular la carga total acumulada por el condensador y anotar su
valor en Culombios.
Q = C . Vc = ______ Culombios.
d) Calcular la energía consumida en el proceso de carga y anotar su valor en Julios.
W = ½ CV2 = ______ Julios
e) Calcular el valor de la tensión del condensador transcurrido un tiempo t = RC y
un tiempo t = 5RC. Anotar los valores. Después, verificarlo con el multímetro.
a. VC (t) = ______
para t = RC
b. VC (t) = ______ para t = 5RC
Es conocido que VC(t) = E (1-e-t/RC)
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f) Calcular el tiempo que tardará el condensador en alcanzar la tensión de 8 V.
Anotar el valor.
g) Representar gráficamente la curva de carga del condensador y la de la corriente
por el circuito.
h) Repetir operaciones disponiendo ahora en paralelo con C8 el condensador C9.
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Cuánto tiempo tardaría en cargarse el condensador si el valor de la resistencia
fuese cero?. Dar explicación que lo justifique.
2. ¿Y si el valor fuese infinito?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.4.2
ANÁLISIS DE LA DESCARGA DE UN CONDENSADOR
Finalidad:
Analizar el proceso de descarga de un condensador a través de una resistencia.
Descripción:
Se propone calcular y experimentar la evolución temporal del condensador durante
su proceso de descarga.
Se supone que el condensador ha sido cargado previamente a una tensión de 12 V.
Se puede observar que, igual que en la carga, cuando el condensador haya alcanzado un tiempo igual a t = 5RC se habrá descargado en su totalidad a efectos prácticos.
La evolución temporal del condensador durante el proceso de descarga responde a
la siguiente ecuación:
VC (t) = E . e-t/E
Donde E representa la tensión a la que se encuentra cargado el condensador y e la
constante de tiempo de la descarga.
El circuito propuesto es el de la figura 2.38.
Fig. 2.38 Circuito propuesto
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MC-5. Módulo de condensadores
•
MC-18. Módulo de iluminación.
•
MR-25. Módulo de componentes resistivos
ƒ
MM. Multímetro digital
•
Cronómetro
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica.
b) Conexionar el circuito que muestra la figura 2.38 y calcular y experimentar la
constante RC del circuito. Anotar el valor teórico y el obtenido por experimentación, dando justificación a la posible diferencia.
c) Abrir el interruptor y calcular el valor de la tensión en los extremos del condensador transcurrido un tiempo igual a la constante de tiempo t =RC y a un periodo
igual a t = 3RC y T = 5 RC. Anotar los valores.
•
Para t= RC = ______
•
Para t = 3RC = ______
•
Para t= 5RC = ______
d) Calcular el valor máximo de la corriente por el circuito y el valor de la corriente al
cabo de un segundo. Anotar los valores.
e) Calcular el tiempo que tardará el condensador en alcanzar la tensión de 2V.
E
T = RC Ln
VC
f) Representar gráficamente las magnitudes de tensión y corriente por el condensador durante el proceso de descarga.
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g) Repetir operaciones poniendo en paralelo con C8 el condensador C9.
NOTAS:
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2.5
PRÁCTICAS DE CORRIENTE ALTERNA
Práctica nº 2.5.1
Visualización y medida de la corriente alterna.
Práctica nº 2.5.2
Medida de desfase entre tensiones.
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FUNDAMENTOS
La corriente alterna (AC) se caracteriza porque el valor de su tensión y su corriente,
así como el sentido de esa, cambian continuamente, representando una función senoidal.
Vmax
ωt
Fig. 2.39 Representación de la corriente alterna
donde:
ω = Velocidad angular en radianes/segundos
t = Tiempo
Cada ciclo completo está compuesto por cuatro cuadrantes, tal como muestra la figura 2.40.
Fig. 2.40 Cuadrantes de la corriente alterna
El valor de la corriente alterna tiene que estar dado en un tiempo definido. Es el denominado valor instantáneo, cuya expresión representativa es:
E = Vmax sen ωt
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Sin embargo, a efectos prácticos, se ha encontrado un valor que representa la equivalencia en trabajo con la corriente continua (DC), que es el denominado valor eficaz, que vale.
Veficaz =
Vmax
√2
= Vmax x 0’707
El valor eficaz es el que miden los voltímetros de aplicación cotidiana.
Por ejemplo, al medir en una base de red el instrumento marca 220 V, pero el valor
máximo es:
Vp = Veficaz x √2 = 314 V
Sin embargo, se emplea el valor eficaz por la indicada equivalencia en cuanto al trabajo con la corriente continua.
La corriente alterna se puede observar con un instrumento especializado como es el
osciloscopio, en cuya pantalla se presentan las tensiones con variación en el tiempo
aplicadas a su entrada de medida.
En la corriente alterna se emplean básicamente tres parámetros, que son:
• Nivel, expresado en pico, pico a pico, eficaz, medio, etc.
• Periodo, que corresponde al tiempo transcurrido en el desarrollo de un ciclo
completo.
• Frecuencia, que corresponde al número de ciclos desarrollados por unidad de
tiempo. Su expresión es en Hz, con múltiplos, tal como se indica a continuación.
KHz = 103
MHz = 106
GHz = 109
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PRACTICA Nº2.5.1
VISUALIZACIÓN Y MEDIDA DE LA CORRIENTE ALTERNA
Finalidad:
Representar en un osciloscopio la corriente alterna y medir sus parámetros de amplitud, tiempo y frecuencia.
Descripción:
Se propone representar gráficamente y medir con el osciloscopio el periodo de una
señal senoidal. Esta señal se tomará de la salida de alterna de 24 V del módulo
MATM-38. Este valor es eficaz (amplitud eficaz), por lo que para obtener el valor de
pico, que es lo que representa el osciloscopio, se aplicará la siguiente fórmula:
VP
Vef =
2
; VP = Vef .
2
Sabiendo que la frecuencia es la inversa del periodo (f = 1/T) y conociendo el periodo previamente medido con el osciloscopio, se podrá calcular la frecuencia de dicha
señal alterna.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
Cable con conector BNC y hembrillas de 4 mm.
•
Cables de interconexión.
•
Osciloscopio.
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Procedimientos:
a) Instalar el módulo MATM-38 y alimentarlo con la tensión de red monofásica.
b) Conectar el osciloscopio a los terminales de 24 V AC del módulo MATM-38, sincronizar la imagen visualizada y presentarla en 4 o 5 divisiones de la pantalla.
Para tal conexión se empleará un cable convertidor de BNC a hembrillas de 4
mm.
Fig. 2.41
c) Medir su amplitud pico a pico y calcular que corresponde a:
Epp = 33’94 x 2 = 79’80 V
Como la amplitud eficaz es 24 V.
Vef =
VPP
2
2
d) Medir el periodo y comprobar que la frecuencia corresponde a 50 Hz (o 60 Hz en
el continente americano), conforme a la siguiente exposición:
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1
f=
1
=
T
= 50 Hz
20
Si se mide el periodo con el osciloscopio, se podrá comprobar que es de 20 ms y por
tanto la frecuencia es de 50 Hz, o de 16’66 para 60 Hz.
NOTA: Si en el aula donde se está aplicando, la tensión de red es de 60 Hz, efectuar
los cambios correspondientes en los cálculos.
NOTAS:
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PRACTICA Nº2.5.2
MEDIDA DE DESFASE ENTRE TENSIONES
Finalidad:
Medir el desfase de tiempo producido entre tensiones por una constante de tiempo
RC.
Descripción:
En una corriente alterna senoidal, sus ciclos están formados por cuatro cuadrantes,
que son:
Fig. 2.42 Cuadrantes de la onda senoidal
I) 0-90º
Se alcanza de modo creciente el nivel de pico.
II) 90º-180º
El semiciclo positivo decrece hasta retornar a cero.
III) 180º-270º
Se invierte la polaridad y esta alcanza el máximo nivel de lo que
se denomina polaridad negativa.
IV) 270º-360º
El semiciclo negativo decrece hasta retornar a cero
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Donde el denominado ciclo corresponde a la evolución completa que indica la figura
2.42 y el periodo (T) es el tiempo invertido. Así:
1
T=
f
2π
T=
= 2πf
T
El circuito propuesto es el siguiente, figura 2.43:
S2
10K
S2
10K
220n
Fig. 2.43 Esquema completo por razones didácticas. En esta práctica la tensión procede de los 24 V AC del módulo MATM-38
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
MR-25. Módulo de componentes resistivos
•
MC-5. Módulo de condensadores.
•
2 Adaptadores de conector BNC a hembrillas de 4 mm.
•
Osciloscopio
Procedimientos:
a) Instalar los módulos conforme a los procedimientos anteriores y montar el circuito
propuesto en la figura 2.43. La tensión para esta práctica se tomará de la salida
de 24 V AC del módulo MATM-38.
b) Medir el desfase entre ambas tensiones, indicándolo en tiempo. Para la conexión
de los dos canales del osciloscopio, se emplearán los dos cables adaptadores de
conector BNC a hembrillas de 4 mm.
c) Repetir la operación con otros valores de condensadores (no emplear los
electrolitos) y otras resistencias.
NOTAS:
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2.6
PRÁCTICAS DE MAGNETISMO, ELECTROMAGNETISMO E INDUCCIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
Práctica nº 2.6.1
Electroimán: Experimento de Oersted
Práctica nº 2.6.2
El campo magnético: Electroimanes.
Práctica nº 2.6.3
Inducción electromagnética: 1ª Ley de Faraday
Práctica nº 2.6.4
Inducción electromagnética: 2ª Ley de Lenz
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CONSIDERACIONES PREVIAS
Las fuerzas magnéticas se producen como consecuencia del movimiento de partículas cargadas, por ejemplo los electrones. Tal condición establece una relación muy
estrecha entre electricidad y magnetismo.
MAGNETISMO
Fuerza de atracción o repulsión que se produce sobre los materiales de condición
magnética, como el hierro.
POLOS
Extremos del imán y por tanto del espacio magnético o fuerza magnética, que se
representan como líneas de flujo magnético. Son denominados Polo Sur y Polo Norte y presentan la siguiente condición:
•
Polos iguales se repelen
•
Polos contrarios de atraen
N
S
Fig. 2.44 Imán de barra
VALOR DE LA FUERZA
La fuerza que se produce entre dos masas varía con el producto de las masas e inversamente con el cuadro de la distancia de separación entre ellas. Así:
m1 . m2
F=
m . d2
donde,
m=
Masas
d=
Distancia de separación
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INTENSIDAD DE CAMPO
La intensidad del campo es la fuerza que actúa sobre la unidad de masa magnética
en un punto dado. Su unidad es el Gauss y su símbolo representativo H.
TEMPERATURA DE CURIE
Es referido a la temperatura a la que es preciso someter al imán para que pierda sus
propiedades magnéticas. Su valor es diferente para cada composición. A modo de
ejemplo, uno de cobalto pierde sus propiedades con temperaturas próximas a
800ºC.
TIPOS DE IMANES
Existe una amplia variedad de imanes para adaptarse a otras tantas situaciones
prácticas. De ellos se puede considerar como principales los siguientes:
• Imanes cerámicos o de ferrita. De aspecto liso y color gris, estos imanes
pueden tener cualquier forma física para su empleo en altavoces y similares.
Están compuestos por partículas de óxido de hierro, mazcla de bario y estroncio y otros materiales similares.
• Imanes de almico. Su forma física es la de la clásica herradura. Se fabrican
con mezcla de aluminio, niquel, cobalto, hierro y cobre.
• Imanes de tierras raras. Minúsculos imanes para juguetería y similares que
presentan una fuerza magnética muy superior a la de los clásicos, como el anterior.
Se forman con mezcla de boro-neodino, hierro y otras sustancias.
• Imanes flexibles. Presentan la particularidad de permitir la flexión para adaptarse a las situaciones que la requieren, especialmente en los electrodomésticos.
Se forman con partículas magnéticas de hierro y estroncio sobre caucho o similar.
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EJERCICIO PREPARATORIO
a) Acercar un objeto metálico, por ejemplo la punta de un destornillador pequeño, a
un extremo del imán giratorio del Kit K7 y comprobar el efecto de atracción.
b) Girar el imán 180º y repetir el experimento, comprobando que también se produce atracción.
Si el objeto metálico empleado estuviese imantado, en un polo se produciría
atracción (polos diferentes) y en el otro repulsión (polos iguales).
Si se dispone de otro imán, comprobar este efecto, imantando el destornillador o
aplicándolo directamente.
c) Si se dispone de una brújula, aproximarla al imán giratorio del Kit, girar este y
comprobar como el instrumento señala el polo magnético de cada posición.
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PRACTICA Nº2.6.1
ELECTROIMÁN: EXPERIMENTO DE OERSTED
Finalidad:
Llevar a cabo un experimento que ponga de manifiesto la relación de la electricidad
con el magnetismo.
Descripción:
El físico-químico danés Hans Christian Oersted demostró en 1820 la relación de la
electricidad con el magnetismo con un sencillo experimento que divertía a sus alumnos.
Utilizando una pila de Volta de 1’5 Voltios, conectó sus terminales a un alambre circular y lo acercó una brújula; la aguja indicaba en todo momento el signo de la corriente, lo que supone que indica el Norte o el Sur dependiendo de la polaridad aplicada al cable.
Fig. 2.45 Experimento de Oersted
En el experimento objeto de esta práctica, el alambre es el de la bobina de 1000 espiras del transformador desmontable K8, cuyo detalle muestra la figura 2.46.
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Fig. 2.46 Configuración para el experimento
El Kit K8, con una bobina, se empleará en esta práctica como electroimán para generar un campo magnético, el cual detectará la brújula empleada.
Equipamiento necesario:
• MATM-38. Módulo de alimentación
ƒ MM. Multímetro digital
• MC-18. Módulo de iluminación.
• Kit K8.
• Brújula
• Destornillador.
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica y conexionarlos conforme a
la figura 2.46. La alimentación será de 12 V y se tomará del módulo MATM38. La polaridad es indiferente en este primer procedimiento.
b) Situar la brújula en la posición indicada en la figura 2.46, activar el interruptor
para que se alimente la bobina de K8 y observar la desviación de la aguja de
la brújula, significando con ello la relación entre la electricidad y el campo
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magnético generado en la bobina el estar recorrida por una corriente eléctrica.
Tal corriente eléctrica se puede medir en el amperímetro de MM-2, el cual estará situado en el rango de 5 A.
c) Invertir la polaridad de la alimentación de la bobina y observar que la brújula
también invierte la dirección indicada.
Con tal experimento se ha demostrado el principio de Oersted y la relación de
la electricidad con el magnetismo.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.6.2
EL CAMPO MAGNÉTICO: ELECTROIMANES
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un electroimán con los componentes del Kit K8.
Esta práctica es complementaria de la anterior.
Descripción:
Un electroimán se forma con un núcleo de hierro dispuesto en el interior de una bobina recorrida por una corriente eléctrica. Su fuerza de atracción, es, en aproximación:
F = C . B2 .S
Donde:
F = Fuerza de atracción en Kp
C = Constante que, para núcleos de hierro, es de 4x104.
B = Inducción del núcleo, en Tesla.
S = Superficie del núcleo sobre la que está dispuesta la bobina.
La inducción magnética –B- es la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente la unidad de superficie.
La relación de la electricidad con el magnetismo aplicado a los electroimanes se
puede expresar también como intensidad del campo magnético -H-, y cuya unidad
es el Amperio/vuelta. Su expresión es:
N.I
H=
L
Donde:
H = Intensidad del campo magnético en amperios/vuelta/metro (Av/m).
N = Número de espiras de la bobina del electroimán.
I = Intensidad de corriente que recorre la bobina.
L = Longitud de la bobina, en metros.
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El campo magnético generado por una bobina es, por tanto, proporcional a la corriente y al número de espiras.
La indicada longitud corresponde al espacio por donde circulan las líneas de fuerza.
Así, considérese el siguiente electroimán.
Fig. 2.47 Ejemplo del núcleo de un electroimán
En un núcleo cuadrado de 8 cms. de lado, en cuanto a medidas interiores, luego:
L = 32 cms (8+8+8+8+8) o 0’32 metros
Fig. 2.48 Configuración de K8 para este experimento
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Equipamiento necesario:
• MATM-38. Módulo de alimentación
ƒ MM. Multímetro digital
• MC-18. Módulo de iluminación.
• Kit K8.
• Destornillador.
• Regla para medida de longitud.
Los experimentos propuestos en esta práctica son dos:
• Calcular el campo magnético generado (H) para diferentes bobinas y corrientes.
• Observar el efecto magnetizante.
Para tales experimentos se empleará el Kit de transformador K8 de la práctica anterior.
Procedimientos:
a) Instalar los módulos que intervienen en la práctica y conexionarlos conforme a la
figura 2.49. Instalar la bobina de 1000 espiras en el núcleo del Kit K8.
Fig. 2.49 Circuito propuesto para esta práctica
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b) Ajustar la tensión de salida en el módulo MATM-38 a 12 V, medir la corriente que
circula y las medidas interiores del núcleo y calcular la intensidad del campo
magnético (H) generado. Anotar el resultado.
H=
Av/m
I=
A
c) Repetir operaciones para una tensión de entrada de 18 V.
H=
Av/m
I=
A
d) Instalar ahora en el transformador K8 la bobina de 2000 espiras y repetir las dos
operaciones anteriores, anotando los resultados.
Con 12 V
H=
Av/m
I=
A
Con 18 V
H=
Av/m
I=
A
e) Proceder ahora a observar el efecto magnético obtenido.
La aplicación de una tensión a la bobina y, como consecuencia, la corriente que
le recorre, ha convertido el conjunto bobina-núcleo de hierro en un electroimán
cuyo efecto se pueden hacer notar de dos formas:
• Acercando un destornillador u objeto metálico similar y observarlo. Al cesar
la corriente que atraviesa la bobina desaparece, ya que el núcleo no tiene
remanencia. Observar esta condición.
• Separando el cierre de núcleo en “I” sin tensión aplicada y, con ello acercarlo para ver la atracción que se produce. Como consecuencia del campo
magnético, tal cierre no se puede separar si la bobina está sometida a tensión.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.6.3
INDUCCION ELECTROMAGNETICA.
1. LEY DE FARADAY
Finalidad:
Demostrar experimentalmente el efecto de la inducción electromagnética descubierto por Faraday.
Conceptos:
El fenómeno de la inducción electromagnética se pone de manifiesto ante una variación de flujo magnético en las proximidades de una espira.
En efecto, si se produce variación de flujo magnético alrededor de una espira o bobina, en esta se genera una corriente eléctrica, cuyo valor depende del número de
espiras, de la intensidad del campo magnético incidente y de la velocidad de la variación del flujo. La figura 2.50 pone de manifiesto este fenómeno.
Fig. 2.50
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La tensión generada se denomina fuerza electromotriz (f.e.m) incluida.
El fenómeno descrito corresponde a la denominada ley Faraday que expone: “Si el
flujo que corta un circuito varia en el tiempo, en ese circuito se genera una f.e.m incluida”.
dФ
Eg =
dt
Como se puede observar, la tensión generada es dependiente de la velocidad de
cambio del flujo magnético.
Descripción:
La finalidad de la experiencia es demostrar tres condiciones, que son:
1. Que al mover el imán y por tanto provocar cambio de flujo magnético en la
proximidad de la bobina, en esta se genera una f.e.m inducida.
2. Que el nivel de tensión generado depende de la velocidad de cambio de flujo,
lo que se provocará moviendo más rápidamente el imán respecto del punto
anterior.
3. Que el citado nivel de tensión generado también depende del número de espiras, lo que se experimenta disponiendo en serie los dos devanados de la bobina FEM del entrenador.
Equipamiento necesario:
•
K7. Kit de electromagnetismo y motor/generador.
ƒ
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión
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La bobina FEM y su imán asociado, corresponde a los siguientes componentes del
módulo:
● P1
● S1
Fig. 2.51 Bobina e imán de Kit de electromagnetismo
Procedimientos:
a) Conectar la bobina P1 de FEM al multímetro MM dispuesto para medir AC.
b) Girar suavemente con la mano el imán giratorio asociado y comprobar que se
genera tensión.
c) Aumentar la velocidad de giro del imán y comprobar que aumenta la tensión generada, conforme al principio expuesto.
d) Disponer ahora en serie las bobinas P1 y S1 conforme indica la figura 2.52 y repetir operaciones para comprobar que la tensión generada es mayor porque lo es
el número de espiras.
Fig. 2.52
Nota: Para disponerlas en serie y en fase, tener en cuenta los puntos de cada
devanado marcados en la serigrafía del módulo, los cuales significan el comienzo.
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Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Por qué es preciso tener en cuenta el principio de cada devanado para ponerlos
en serie?.
2. ¿Por qué se produce más tensión en la bobina al aumentar la velocidad de giro
del imán?.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.6.4
INDUCCION ELECTROMAGNETICA.
2. LEY DE LENZ
Finalidad:
Demostrar experimentalmente el efecto de la inducción electromagnética descubierta por Lenz.
Conceptos:
La ley de Lenz es referida a la inducción que se produce entre bobinas acopladas
ante cambio del flujo magnético incidente.
Un ejemplo es el siguiente, figura 2.53:
Fig. 2.53
Si se cierra el interruptor y con ello comienza a circular corriente por la bobina primaria (P1), esa situación creará un flujo magnético y, como consecuencia, se generará
f.e.m. en la bobina secundaria (S1), la cual actúa siguiendo la ley de Faraday.
Sin embargo, el cambio de flujo magnético debe ser constante para que la tensión
permanezca, aunque con el sentido cíclico de tal flujo, lo que supone que, después
del primer instante, la corriente se interrumpe y solo se producirá de nuevo durante
otro instante al abrir el circuito.
Pero si el devanado primario está recorrido por una corriente alterna, en el secundario se obtiene tensión, de la misma frecuencia que la de entrada.
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Fig. 2.54
Ante tales condiciones, la ley de Lenz establece “La corriente de inducción tiene una
dirección tal que su campo magnético contrarresta o suma la variación de flujo magnético del campo que dio origen a esa corriente”.
El valor de la tensión inducida en el secundario tiene las mismas condiciones que en
la ley de Faraday (en realidad, el secundario sigue esa ley).
Descripción:
La finalidad de la experiencia es demostrar tres condiciones, que son:
1. Que al aplicar tensión continua al devanado primario, se produce f.e.m en el secundario solo durante un instante; al abrir y cerrar el circuito.
2. Que se produce tensión inducida al mover el imán giratorio asociado, con un nivel que depende de la velocidad de cambio de flujo (velocidad de movimiento de
imán).
3. Que se produce tensión inducida al aplicar al devanado primario una corriente
alterna.
Equipamiento necesario:
•
K7. Kit electromagnetismo y motor/generador.
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-18. Módulo de iluminación.
ƒ
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión
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Procedimientos:
a) Efectuar el montaje de la figura 2.55 y alimentarlo con tensión continua de 12 V.
procedente del módulo de alimentación MATM-38. El pulsador procederá de uno
de estos componentes del módulo de iluminación MC-18.
Fig. 2.55
b) Presionar durante un instante el pulsador elegido del módulo MC-18 y comprobar
la aparición de tensión introducida en S1 durante un brevísimo periodo de tiempo, tras el cual cesa. Liberar ahora el pulsador y comprobar la aparición de nuevo
de tensión, aunque en esta situación de sentido opuesto, la cual es denominada
fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.).
c) Desconectar de P1 la tensión continua de 12 V y aplicarle a esa bobina en su
lugar los 24 V de alterna procedentes de las hembrillas de AC 24 V. del módulo
MATM-38, y comprobar que la tensión inducida ahora es constante.
d) Desconectar la tensión alterna del devanado P1, mover con rapidez al imán giratorio y comprobar igualmente la presencia de tensión inducida como consecuencia del cambio de flujo que influencia a la bobina.
Cuestiones de autoevaluación:
1. Ante corriente continua en P1. ¿Por qué se produce tensión inducida solo al abrir
o cerrar el circuito?.
2. ¿Cambiaría el nivel de tensión inducida si al devanado S1 se le aumentan sus
espiras?.
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3. Ante corriente alterna en P1. ¿La tensión inducida depende de la frecuencia?.
NOTAS:
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2.7 PRÁCTICAS CON TRANSFORMADORES
Práctica nº 2.7.1
Experimentos con el transformador desmontable K8.
Práctica nº 2.7.2
Identificación del transformador didáctico TRB-03.
Práctica nº 2.7.3
Conexión como transformador monofásico.
Práctica nº 2.7.4
Transformador con bobinas en serie en fase.
Práctica nº 2.7.5
Conexión trifásica estrella/estrella.
Práctica nº 2.7.6
Conexión trifásica estrella/estrella invertida
Práctica nº 2.7.7
Conexión trifásica triángulo/triángulo directa
Práctica nº 2.7.8
Conexión trifásica estrella/triángulo
Práctica nº 2.7.9
Conexión trifásica estrella/zigzag
Práctica nº 2.7.10 Conexión trifásica/exafásica
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CONSIDERACIONES PREVIAS
2.7.1 Configuración del transformador
Perteneciente al grupo de máquinas eléctricas estáticas, el transformador ocupa un
lugar fundamental por la importancia de las aplicaciones que se obtienen de el. La
transformación en amplitud de la tensión alterna ha posibilitado aplicaciones de la
electricidad desde la distribución urbana e industrial de energía eléctrica a los electrodomésticos y demás equipos que acompañan la vida del ser humano.
En aproximación, las aplicaciones del transformador son las siguientes:
•
Conversión de una tensión de amplitud V1 en otra V2, que puede ser mayor o
menor que la primera.
•
Generación de diversas tensiones, con o sin punto común, desde una principal de entrada.
•
Aislamiento galvánico de una o más tensiones secundarias respecto de la
primaria o de alimentación.
Componentes que lo forman
El transformador eléctrico está formado por dos secciones, que son:
•
El núcleo magnético por el que circulan las líneas de fuerza generadas en el
proceso.
•
Las bobinas de hilo de cobre que forma el circuito de reactancia.
El núcleo que rodea a las bobinas puede ser del tipo de chapas magnéticas de reducido espesor compuestas de aleaciones de hierro-silicio o hierro-niquel, las cuales
se apilan para conseguir un espesor igual al del carrete que contiene las bobinas o
bien tener forma anular o toroidal, como es denominado comúnmente disponiéndose
las bobinas alrededor del citado núcleo. La figura 2.56 muestra distintos tipos de núcleos.
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Fig. 2.56. Transformadores con núcleo de chapa (izquierda) y toroidal (derecha)
La denominada chapa magnética sigue siendo la más utilizada para formar el núcleo. Son chapas ferromagnéticas eléctricamente aisladas, de acero, con aleación
de silicio o similar en un porcentaje del 3% al 5% para reducir así las pérdidas por
histéresis y aumentar la resistividad del acero. Una variante de esta chapa es la de
grano orientado, la cual se lamina en frío y se caracteriza por el empleo de acero
más puro y con menos contenido de carbono que la chapa normal o laminada en
caliente.
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento es el que muestra la figura 2.57:
Fig. 2.57 Transformador monofásico (Teoría General de Máquinas Eléctricas, UNED)
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Con tal disposición se tiene una bobina de reactancia en la que en las N espiras del
secundario se origina por autoinducción una fuerza contraelectromotriz dependiente
de:
d
e=-N
dt
Y que vale,
1
e=
N
2
m
= 4’44 N fs Bm2
donde:
N = número de espiras
f = frecuencia de la tensión alterna aplicada
s = sección del núcleo
Bm = inducción máxima
Por razones obvias, esta máquina estática solo puede funcionar con tensión alterna
dado que precisa variación de flujo para generar fcem.
Si el transformador dispone de devanado primario (al que se le aplica la tensión de
entrada) y de uno o más secundarios de utilización, la relación de transformación (de
la tensión) que se obtiene está determinada por el número de espiras de tales bobinas. Así:
m=
V1
V2
=
N1
N2
Donde N1 se puede considerar el devanado primario y N2 un secundario.
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2.7.2 Tipos de transformadores
Los transformadores se pueden distinguir en razón a la naturaleza de la tensión de
entrada y a la de la utilización.
La tensión de entrada es referida a las fases de la alimentación, de tal forma que
puede ser monofásica o trifásica.
Respecto de su utilización, las variantes son:
•
Configuración como transformador o autotransformador.
•
Reductor o elevador de tensión.
•
Transformador de potencia o de medida.
En los siguientes apartados se definen.
Transformador o autotransformador
Independientemente de que la tensión de entrada sea monofásica o trifásica, esta
máquina estática puede tener forma de transformador o de autotransformador.
El transformador corresponde al que incorpora bobinas independientes para el primario y los secundarios, consiguiendo con ello la doble finalidad de transformación
por la relación de espiras de los devanados y aislamiento galvánico entre entrada y
salida.
En el autotransformador solo existe un devanado y las diferentes tensiones de salida
se obtienen por mera relación de espiras. La figura 2.58 muestra un ejemplo de la
simbología de autotransformador reductor (derecha) y del transformador (izquierda)
respecto de la tensión de entrada.
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Fig. 2.58 Transformador (izquierda) y autotransformador (derecha)
En el autotransformador (derecha) la tensión de aplicación se obtiene mediante una
toma o conexión intermedia, de tal modo que el devanado que forma corresponde a
la relación de espiras adecuada para la tensión requerida. Así, a modo de ejemplo,
si la relación de espiras/voltio de un determinado transformador es de 5, para obtener 6 voltios, la toma se hará en la espira 30, de tal modo que este secundario obtenido así tiene un punto en común con la tensión de red de entrada, motivo por el que
la tensión de utilización no tiene aislamiento de la principal.
Reductor elevador de tensión
El transformador o autotransformador, con tensión de entrada de condición monofásica o trifásica puede ser configurado como elevador (de tensión) o reductor por el
número de espiras de sus devanados, tal como se ha indicado. El límite en el elevador está determinado por las pérdidas en el núcleo y por la resistencia interna del
hilo de cobre de los devanados. No obstante, para aplicaciones cotidianas se considera aceptable el número de elevación hasta por el factor 11.
Transformadores de potencia y de medida
Los transformadores denominados de potencia corresponden a los descritos. Son
empleados para elevar o reducir la tensión respecto de la entrada, independientemente de que faciliten aislamiento galvánico (transformador) o no (autotransformador).
A diferencia de esos, los de medida tienen su utilización en acciones de control de la
tensión o la corriente. Una versión ampliamente utilizada en ambientes industriales
es el denominado transformador de intensidad empleado en la medida de grandes
corrientes. Consiste en un devanado sobre núcleo anular en cuyo interior de este
último se sitúa el hilo conductor del que se desea medir la corriente. Dado que la fem
que se genera en el devanado es dependiente del flujo magnético del citado conductor y este flujo a su vez depende de la corriente en circulación hasta que no se produzca la saturación magnética del núcleo.
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Es de tener en cuenta que, ante grandes corrientes, no se puede intercalar un
“shunt” resistivo para medir la corriente por las pérdidas que supondría, por lo que
se recurre a este procedimiento. La figura 2.59 muestra un transformador de intensidad del tipo indicado.
Fig. 2.59 Transformador de medida (Circutor)
Potencia nominal
La potencia nominal de un transformador es referida a la potencia aparente que admite, la cual es el producto de la tensión nominal por la corriente correspondiente.
Se expresa en VA. Así:
P=
S . IS
Configuración de transformadores trifásicos
En montajes trifásicos, los devanados pueden situarse en diferentes configuraciones
para adaptarse a otras tantas aplicaciones. Los de más utilización son los denominados estrella y triángulo, cuyos esquemas de montaje se dan en la figura 2.60.
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MONTAJE EN ESTRELLA (
)
Fig. 2.60 Montaje en estrella
Este montaje es referido al primario, al secundario o a ambos. Así, si ambos devanados adoptan esta configuración, se significa con ( / ).
Si se trata de los secundarios, este montaje admite una conexión de neutro, tal como
muestra la figura 2.61:
MONTAJE EN TRIANGULO ( )
Fig. 2.61 Montajes en triángulo
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Como el anterior, este montaje puede ser aplicado al principio, el secundario o a
).
ambos. Así, un montaje en estrella/triángulo se significa como (
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PRACTICA Nº 2.7.1
EXPERIMENTOS CON EL TRANSFORMADOR DESMONTABLE K8
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento del conjunto K8 como transformador y, por tanto,
alimentado con corriente alterna. En prácticas anteriores, este conjunto se ha empleado para llevar a cabo experimentos como electroimán alimentado con corriente
continua.
Descripción:
El Kit K8 está compuesto por los siguientes componentes:
•
Bobina de 1000 espiras.
•
Bobina de 2000 espiras.
•
Núcleo de forma de “U”.
•
Cierre de núcleo en forma de “I”.
La figura 2.62 muestra el conjunto.
Fig. 2.62 Kit K8
Tal composición permite formar un transformador con primario y secundario. La corriente alterna a aplicarle se tomará de la salida AC de 30 V (15 + 15 V) del módulo
de alimentación MATM-38.
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El plan de experimentación con el Kit K8 persigue los siguientes objetivos:
• Comprobar el funcionamiento como transformador reductor de tensión.
• Comprobar el funcionamiento como transformador elevador de tensión.
• Comprobar la influencia de las líneas de fuerza y, por tanto, de la tensión
generada en el secundario, con la disposición del núcleo magnético del
tranformador.
Equipamiento necesario:
•
K8. Kit de transformador desmontable.
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MM. Multímetro digital
Procedimientos:
a) Instalar los dos módulos que intervienen en la práctica, alimentando el MATM-38
con la tensión de la red.
b) Montar las dos bobinas del transformador y situar el cierre de núcleo en “I” sobre
el núcleo principal.
c) Procede a experimentar el transformador como reductor de tensión llevando a
cabo las siguientes acciones.
• Aplicar la tensión de 30 V (15+15) AC del módulo MATM-38 a las hembrillas
de la bobina de 2000 espiras del transformador K8.
• Conectar el multímetro en AC a las hembrillas de la bobina de 1000 espiras y
comprobar que la tensión medida es aproximadamente la mitad por la relación
de espiras del primario y del secundario.
Nota: las diferencias en el voltaje esperado se deben a las tolerancias del
número de espiras.
d) Proceder a experimentar ahora el transformador como elevador, aplicando la
tensión de 30 V a la bobina de 1000 espiras, que es ahora el primario, y medir
en la de 2000, que es el secundario. La tensión teórica es ahora el doble por la
relación de transformación.
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e) Manteniendo el montaje del punto anterior, proceder ahora a experimentar la
relación del núcleo con la tensión generada en el secundario. Para ello llevar a
cabo las siguientes acciones:
• Desconectar de la red el módulo MATM-38, desunir el cierre de núcleo en “I” y
conectar de nuevo a la red.
• Medir la tensión del secundario y comprobar que el valor es ahora considerablemente más bajo porque el núcleo está abierto y las líneas de fuerza no pueden circular, ya que el aire es un mal conductor de esa energía.
• Introducir un extremo del cierre de núcleo en “I” en un lateral e ir bajándolo progresivamente y comprobar que en las proximidades con el núcleo principal, la
tensión generada en el secundario comienza a subir, para alcanzar su valor
máximo cuando están totalmente acoplados magnéticamente.
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Se podría construir un transformador con salida de tensión variable separando
mecánicamente ambas piezas del núcleo?.
2. ¿Se pueden poner en los transformadores más de un secundario?.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.2
IDENTIFICACIÓN DEL TRANSFORMADOR DIDÁCTICO
TRB-03
Finalidad:
Identificar el transformador didáctico TRB-03 y asociar sus componentes con su función.
Descripción:
El transformador TRB-03 es trifásico, aunque puede funcionar con tensión monofásica empleando los devanados centrales de los tres que dispone. Su panel frontal reproduce la simbología de sus bobinas y contiene las hembrillas para las interconexiones. El punto situado junto a algunas hembrillas indica el inicio del devanado, lo
que es necesario saber para poder disponer las bobinas en serie y en fase. La figura
2.63 muestra tal componente didáctico.
Fig. 2.63 Transformador didáctico TRB-03
Con respecto a sus especificaciones, estas son las siguientes:
Tipo:
Trifásico, con núcleo de grano orientado.
Tensión de los primarios:
220 V. (Terminales 1 y 2) y 380 V. (Terminales 1 y 3)
Tensión de cada secundario: 73 V.
Potencia:
500 W.
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La figura 2.64 muestra su frontal.
Fig. 2.64 Panel frontal del transformador
Equipamiento necesario:
•
TRB-03. Transformador didáctico
Procedimientos:
a) Identificar el panel frontal del transformador y, en el, lo siguiente:
• Las hembrillas de los primarios en la parte superior.
• Las hembrillas de los tres secundarios de cada rama.
b) Identificar en la parte posterior del transformador la hembrilla para la toma de tierra, la cual debe conectarse a la tierra de la alimentación durante cada práctica.
La figura 2.65 muestra tal hembrilla.
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Fig. 2.65 Hembrilla de tierra del transformador.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.3
CONEXIÓN COMO TRANSFORMADOR MONOFASICO
Finalidad:
Efectuar el conexionado de un transformador compuesto por primario y secundarios
para experimentar su funcionamiento.
Descripción:
Dado que el TRB-03 tiene el núcleo para tres bobinas y por tanto para aplicaciones
en redes trifásicas, se emplearán en esta práctica los devanados del centro, (T2)
para obtener la equivalencia con el transformador monofásico. El circuito es el siguiente:
Fig. 2.66
Los primarios del TRB-3 tienen conexión para 220 V (1 y 2) y para 380 V (1 y 3) y
tres secundarios cada uno de 73 V (S1 a S3).
En esta aplicación se alimentará el primario del transformador indicado con 220 V
mediante conexión a las bornas 1 y 2.
Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03.
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Aplicar la tensión de la red de 220 V a los terminales 1 y 2 del transformador T2,
teniendo muy en cuenta las condiciones de seguridad indicadas en el apartado
1.4.
Fig. 2.67 Conexionado de la práctica
b) Situar el multímetro en alterna y medir la tensión sucesivamente en los devanados secundarios S1, S2 y S3 de T2 y comprobar que su valor, en vacío, es de
aproximadamente 80 V, aunque con su carga nominal es de 73 V.
c) Medir ahora la tensión en los devanados secundarios de los transformadores de
los extremos (T1 y T3) y comprobar que su tensión es aproximadamente la mitad
como consecuencia del menor flujo magnético que circula por sus núcleos.
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En efecto, si E = K . Ø
Fig. 2.68
donde Ø = B . S
La menor sección del núcleo proporciona menos flujo magnético y con ello menos
f.e.m inducida.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.4
TRANSFORMADOR CON BOBINAS EN SERIE EN FASE
Finalidad:
Efectuar el conexionado de un transformador con sus devanados secundarios en
serie y en condición de fase para que se sumen sus tensiones inducidas.
Descripción:
Los devanados pueden conectarse en serie para sumar sus tensiones si están en
fase o para restarse si no lo están. La siguiente figura muestra el circuito propuesto.
Fig. 2.69
Los puntos sobre los secundarios indican el inicio del devanado. Se puede observar,
por tanto, que están conectados en fase. En tales condiciones, la tensión de salida
es la suma de los tres devanados y la intensidad la del menor.
Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Conexionar el circuito conforme a la siguiente figura y después aplicar la tensión
de red de 220 V a los puntos 1 y 2 del transformador T2, observando las condiciones de seguridad ya indicadas.
Fig. 2.70 Conexionado de la práctica
b) Aplicar un cable del multimetro en AC al punto 1 de S1 y otro al 2 y observar que
la medida es de aproximadamente 80 V, como en la práctica anterior.
c) Cambiar el cable al punto 2 de S2 y observar que la medida es ahora de 160 V
aproximadamente y después al punto 2 de S3 para obtener la suma de los tres
devanados. Esto es:
V = VS1 + VS2 + VS3
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.5
CONEXIÓN TRIFASICA ESTRELLA/ESTRELLA
Finalidad:
Conexionar el transformador en el modo estrella/estrella directo (0º) para alimentación trifásica de 380 V. o 3 x 220 entre fases y comprobar el funcionamiento midiendo las tensiones de salida.
Descripción:
La conexión estrella/estrella con desfase nulo (0º) se representa por λ/λ y supone la
disposición en serie de dos bobinas del primario por cada fase, tal como muestra la
siguiente figura:
Fig. 2.71
Respecto de la condición de fase entre primario y secundario, se puede observar
que están en fase (0º).
En este montaje, la conexión de los secundarios admite un neutro.
Esta conexión se suele emplear para tensiones elevadas por su capacidad de aislamiento, pero presenta dos desventajas, que son:
• Si las cargas están desbalanceadas, también lo están las tensiones de salida.
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• No presenta oposición a los armónicos impares, lo que supone que la tensión
del tercer armónico puede ser superior a la fundamental.
Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
Procedimientos:
a) Conexionar el circuito conforme muestra la siguiente figura y después aplicarle la
línea trifásica de 3 x 380 V. o 3 x 220 V. a los puntos R, S y T.
Fig. 2.72 Conexionado de la práctica
b) Proceder a medir la tensión de salida entre fases y comprobar que se cumple lo
siguiente:
V1R’S’ = 80
3
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NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.6
CONEXIÓN TRIFASICA ESTRELLA/ESTRELLA INVERTIDA
Finalidad:
Práctica complementaria de la anterior, de la que se diferencia en el desfase de 180º
entre las tensiones de red y utilización.
Descripción:
La conexión en estrella/estrella con desfase de 180º se representa por λ/Υ y su circuito es el siguiente:
Fig. 2.73
Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Conexionar el circuito conforme muestra la siguiente figura y después aplicarle la
línea trifásica de 3 x 380 V. o 3 x 220 V. a los puntos R, S y T.
Fig. 2.74 Conexionado de la práctica
b) Proceder a medir la tensión de salida entre fases y comprobar que se cumple lo
siguiente:
V1R’S’ = 80
3
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.7
CONEXIÓN TRIFASICA TRIANGULO/TRIANGULO
DIRECTA
Finalidad:
Conexionar el transformador en el modo delta/delta directo (0º) para alimentación
trifásica de 380 V o 3 x 220 V entre fases y comprobar su funcionamiento midiendo
las tensiones de salida.
Descripción:
La citada conexión, cuya representación es ∆/∆, se emplea principalmente para alimentación simultánea de alumbrado monofásico y cargas trifásicas, ya que no presenta problemas ante cargas desbalanceadas o armónicos. Su circuito lo muestra la
siguiente figura.
Fig. 2.75
Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Conexionar el circuito conforme muestra la siguiente figura y después aplicarle la
línea trifásica de 3 x 380 V o 3 x 220 V a los puntos R, S y T.
Fig. 2.76 Conexionado de la práctica
b) Medir la tensión entre fases y comprobar que su valor es de aproximadamente
80 V (en vacío).
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.8
CONEXIÓN TRIFASICA ESTRELLA/TRIANGULO
Finalidad:
Conexionar el transformador en el modo estrella/triángulo para alimentación trifásica
de 3 x 380 V o 3 x 220 V entre fases y comprobar su funcionamiento midiendo las
tensiones de salida.
Descripción:
En esta conexión trifásica significada con Υ/∆, el primario está conectado mediante
pares de bobinas en serie y el secundario de modo independiente. La siguiente
figura muestra el circuito.
Fig. 2.77
La relación entre la tensión de línea y la de los secundarios es la siguiente:
VLP/VLS = (
3 VFP)/ VFS
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donde:
VLP = Tensión de línea
VLS = Tensión de salida entre fases de los secundarios
VFP = Tensión en cada bobina del primario
VFS = Tensión en cada bobina del secundario
Esta conexión tiene algunas características particulares, que son las siguientes:
• No presenta problemas con los componentes del tercer armónico porque se anulan en la corriente en circulación en el lado delta.
• Es estable frente a cargas desbalanceadas, ya que la conexión delta redistribuye
las posibles alteraciones por diferencias de carga.
• La tensión de los secundarios está desfasada 30º respecto de los primarios. Ante
tal condición, la representación correcta de esta conexión es λ/∆, que es la indicada en la figura anterior.
Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
Procedimientos:
a) Conexionar el circuito conforme muestra la figura 2.78 y después aplicarle la línea trifásica de 3 x 380 V o 3 x 220 V a los puntos R, S y T.
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Fig. 2.78 Conexionado de la práctica
b) Medir la tensión entre fases y comprobar que su valor es de aproximadamente
80 V (en vacío).
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.9
CONEXIÓN TRIFASICA ESTRELLA/ZIG-ZAG
Finalidad:
Conexionar el transformador en el modo estrella/zig-zag para alimentación trifásica
de 3 x 380 V o 3 x 220 V entre fases y comprobar su funcionamiento midiendo las
tensiones de salida.
Descripción:
La conexión estrella/estrella presenta la ventaja de disponer de neutro tanto en el
primario como en el secundario, pero tiene el incoveniente de la aparición de
desequilibrio ante exceso de carga en una fase o situaciones similares. Sin embargo,
disponiendo los secundarios en el modo zig/zag se suprime tal inconveniente y así
se puede aprovechar su ventaja principal de la disponibilidad de neutro. La figura
siguiente muestra el circuito.
Fig. 2.79
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El montaje se simboliza por λ/Z.
Se puede comprobar en la figura anterior que se subdividen en dos partes iguales
los devanados secundarios y se conectan en serie a cada rama de la estrella las
bobinas invertidas de las fases adyacentes.
Tal conexión da lugar a la siguiente relación:
N1 .
N2 .
2
2
=
3
N1
.
3
N2
La corriente que pasa por cada línea de los secundarios procede siempre de dos
fases del transformador y afecta por igual a dos fases del primario en los que circularán intensidades de corriente que se neutralizaran mutuamente con los del secundario. Tal condición impide que cualquier desequilibrio de las cargas altere la tensión
de salida más que lo correspondiente a la caída interna característica.
En esta conexión, el desfase entre primario y secundario es de 30º.
Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03.
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
Procedimientos:
a) Conexionar el circuito conforme muestra la figura 2.80 y después aplicarle la línea trifásica de 3 x 380 V o 3 x 220 V a los puntos R, S y T.
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Fig. 2.80 Conexionado de la práctica
b) Proceder a medir la tensión entre fases de los secundarios y comprobar que su
valor, en vacío, es de aproximadamente 240 V.
Es tener en cuenta que, si bien por fase intervienen cuatro devanados en serie, la
suma de sus tensiones no es lineal. Así,
V = ( Va +
Vb
3
) + (VC +
Vd
)
3
donde:
Va......d = Tensión de cada bobinado secundario.
NOTAS:
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PRACTICA Nº 2.7.10 CONEXIÓN TRIFASICA/EXAFASICA
Finalidad:
Conectar el transformador en el modo trifásico/exafásico y comprobar su funcionamiento midiendo las tensiones de salida.
Descripción:
Esta conexión, cuya representación es λ/ex, proporciona seis fases de salida con
neutro y su aplicación principal es en sistemas de rectificación para obtener una
tensión muy plana o similar. La siguiente figura muestra el circuito.
Fig. 2.81
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Equipamiento necesario:
•
Transformador didáctico TRB-03
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión
Procedimientos:
a) Conexionar el circuito conforme muestra la siguiente figura y después aplicarle la
línea trifásica de 3 x 380 V o 3 x 220 V a los puntos R, S y T.
Fig. 2.82 Conexionado de la práctica
b) Medir la tensión de cada rama respecto del neutro (0) y comprobar que su valor
en vacío es de 80 V.
NOTAS:
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2.8 PRACTICAS CON MOTORES
Práctica nº 2.8.1
Motores y generadores eléctricos
Práctica nº 2.8.2
Identificación, medida de las bobinas y puesta en marcha del
motor monofásico M-25
Práctica nº 2.8.3
Identificación, medida y puesta en marcha del motor universal
M-26
Práctica nº 2.8.4
Identificación, medida de las bobinas y puesta en marcha del
motor trifásico M-380
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CONSIDERACIONES PREVIAS
2.8.1 Motores de Jaula de ardilla
El motor trifásico es una máquina eléctrica que convierte la energía eléctrica aplicada en energía mecánica. Obtiene la energía eléctrica de tres tensiones alternas de
igual magnitud y desplazadas 120° entre ellas. Cada una de dichas tensiones se
denomina FASE y se le aplica la nomenclatura “R”,”S” y ”T” para distinguirlas, según
se aprecia en la figura 2.83.
Fig. 2.83 Fases de la tensión trifásica
Esas tres fases se le aplican al motor como alimentación, el cual está formado por
dos partes principales denominadas ESTATOR y ROTOR, cuya descripción se da en
los siguientes apartados.
EL ESTATOR
El estator es la parte del motor que permanece inmóvil. Contiene tres devanados
dispuestos en las ranuras del núcleo, uno por cada fase, conectados a la red eléctrica trifásica conforme a sus características eléctricas. Las espiras de cada devanado
están arrolladas alrededor de dos o más salientes enfrentados entre sí, denominados POLOS, entre los cuales fluye el campo magnético generado por dicho devanado. La figura 2.84 muestra el estator de un motor de dos polos, en el cual la fase R
genera los polos a-a’, la S los polos b-b’ y la T los polos c-c’.
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Fig. 2.84 Detalle del estator
El conjunto de los tres devanados genera en el eje longitudinal del estator un campo
magnético rotativo de intensidad constante y velocidad uniforme que fuerza al rotor
a girar en su mismo sentido. A continuación se describe cómo se genera dicho campo rotativo.
El devanado de cada fase produce un campo magnético alternativo H, el cual tiene
siempre la misma dirección pero una amplitud variable y un sentido conforme al valor instantáneo de la corriente que lo produce, como muestra la figura 2.85.
Fig. 2.85 Detalles del campo magnético generado
Este campo magnético alternativo se puede considerar, según el teorema de Leblanc, como el resultante de dos campos giratorios de amplitud mitad del valor
máximo, de sentido de giro opuesto y cuya velocidad angular en radianes eléctricos
es igual a la pulsación del campo fijo. La figura 2.86 A muestra el vector resultante
Hr en su valor máximo en correspondencia con los 90° eléctricos del ciclo, y la figura
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2.86 B cómo disminuye Hr al aproximarse a los 180°, momento en el que Hr es cero
por ser los vectores Hd y Hi opuestos.
Fig. 2.86 Vectores
Aplicando este principio a las tres fases en un instante dado, estas generan los
campos alternativos H1, H2 y H3 en el interior del estator, tal como muestra la figura
2.87.
Fig. 2.87 Campos alternativos que genera el estator.
Descomponiendo cada uno de los tres vectores H1, H2 y H3 en sus componentes de
rotación a izquierda (Hi) y a derecha (Hd), como muestra la figura 2.88, es posible
determinar la acción simultánea de los tres devanados en el punto central “o” del
estator.
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Fig. 2.88 Vectores para determinar la acción de los devanados
Sumando las componentes de rotación a izquierda H1i, H2i y H3i, estas dan una resultante nula por tener la misma intensidad y estar desfasadas 120°. Las componentes de rotación a la derecha H1d, H21d y H3d, están en fase al ser paralelas y dan
como resultado un vector H igual a la suma de las tres. Estas dos situaciones quedan reflejadas en la figura 2.89.
Fig. 2.89 Componentes de rotación
Al cumplirse en cada fase que las componentes rotatorias vale:
Hd = Hi = ½ Hmax.
El vector resultante H del campo magnético tiene una intensidad que vale:
H = 3 Hd = 3/2 Hmax.
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Repitiendo el procedimiento anterior para cualquier otro instante, se comprueba que
el vector resultante H tiene una amplitud constante y que gira a la derecha con una
velocidad angular constante. Para invertir el sentido de giro del campo magnético, y
por lo tanto del motor, basta con cambiar la conexión de los devanados de dos fases
con lo que los vectores que giran a la derecha se anulan y los que giran a la izquierda se suman.
La velocidad de rotación del campo magnético, en n revoluciones por minuto, depende de la frecuencia f en hertzios de las fases de alimentación y del número de
pares de polos p existentes en una de ellas, conforme a la siguiente relación:
n = 60 ( f/p)
EL ROTOR
Es la parte móvil del motor. Está inmerso en el campo magnético producido por los
polos del estator y separado de ellos por un pequeño entrehierro. El rotor gira sobre
un eje, al cual se encuentra fijado el mecanismo a accionar, extrayéndose de esta
forma la energía mecánica producida.
El rotor en jaula de ardilla es el más utilizado en la industria por ser robusto, libre de
mantenimiento y económico de producir. Está constituido por un núcleo de chapas
ferromagnéticas aisladas entre sí, sobre las cuales se colocan barras de aluminio
(conductores) dispuestas paralelamente entre sí y unidas sus extremidades por dos
anillos conductores, también de aluminio, que cortocircuitan los conductores. La figura 2.90 ilustra dichas partes constitutivas.
Fig. 2.90 Detalle del rotor de jaula de ardilla
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Esta disposición da lugar a un conjunto de espiras en cortocircuito, estando formada
cada una por dos barras opuestas y los dos anillos que cierran sus extremos. La
forma física y la resistencia eléctrica de las espiras son determinantes para las características mecánicas del motor; por ello las barras del rotor se colocan con una
cierta inclinación para reducir las vibraciones y ruidos producidos por la acción electromagnética entre los dientes y los huecos del estator y del rotor. La figura 2.91
muestra dicha inclinación.
Fig. 2.91 Detalle de la inclinación de las barras del rotor
El funcionamiento del rotor es el siguiente:
Cuando el motor está parado y se conecta a la red eléctrica, las espiras del rotor se
ven sometidas a un campo magnético rotativo. Al girar el campo magnético y permanecer inmóviles las espiras, se produce una variación del numero de líneas de
fuerza (flujo) incidentes en cada una de las espiras. Esta variación del flujo en las
espiras genera en ellas una tensión inducida en virtud de la ley de Faraday. La tensión así generada en cada espira provoca que se establezca en ellas una corriente
eléctrica. Es conocido por la ley de Biot y Savart que dice: “sobre todo conductor
recorrido por una corriente y bajo la acción de un campo magnético, nace una
fuerza mecánica”. Su valor viene dado por la expresión:
F = B L I sen
α
( Newton )
Donde:
B = Densidad de campo, en Wb/m²
L = Longitud del conductor sobre el que actúa el campo, en metros.
I = Intensidad de la corriente en el conductor, en amperios.
α = Angulo formado por el conductor con la dirección del campo magnético.
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En los motores eléctricos, la dirección del campo magnético es perpendicular (90º) a las espiras, por lo que senα= 1. La fuerza que ejerce una de
las espiras del rotor es:
F = B L I ( Newton )
La figura 2.92 muestra la dirección de la corriente y el sentido de la fuerza
generada en una espira del rotor. La longitud útil de la espira que reacciona con el campo es L1 y L2, correspondiendo estas a las barras conductoras del rotor. Entonces la fuerza generada por cada barra es:
F = B I L1 ( Newton )
Fig. 2.92 Fuerza y par electromagnéticos
Como se puede apreciar en la citada figura 2.92, la fuerza F dista una distancia r del
eje del rotor, lo cual produce un par de giro que vale:
M = F r = B L1 I r
( Newton –metro )
El par debido a la suma de los pares individuales producidos por cada barra recibe el
nombre de par electromagnético.
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El citado par fuerza al rotor a girar en el mismo sentido que lo hace el campo magnético del estator, no siendo posible alcanzar el rotor la misma velocidad angular del
campo porque, al acercarse a la velocidad de sincronismo, tiende a desaparecer la
variación de flujo en las espiras del rotor y por lo tanto la fuerza que generan. Este
efecto es conocido como deslizamiento y viene expresado por:
S = n – Vr / n
donde:
n = 60 F/ p
Siendo:
S=
n=
Vr =
F=
P=
Deslizamiento.
Velocidad de giro del campo magnético en el estator (r.p.m.).
Velocidad de giro del rotor (r.p.m.).
Frecuencia de la red trifásica ( Hz. )
Número de pares de polos.
El motor con rotor en jaula de ardilla es por lo tanto un motor asíncrono y la velocidad del rotor sufre un ligero descenso cuando el motor pasa del funcionamiento en
vacío a plena carga.
2.8.2 El motor Dahlander
Motor trifásico de dos velocidades.
Los motores trifásicos asíncronos tienen su velocidad de giro determinada por dos
variables que son la frecuencia de las fases que lo alimentan y el número de pares
de polos que contiene el estator, como lo demuestra la expresión:
n = 60 F/ p
El control de la velocidad del motor por la frecuencia de las fases de alimentación
requiere el uso de un variador de frecuencia externo y permite un amplio margen de
velocidades.
El cambio de velocidad por el número de polos limita el número de velocidades posibles. Ello implica que el estator tenga varios bobinados de distinto número de polos,
o bien con un sólo bobinado construido de tal forma que pueda conectarse exteriormente con diferente número de polos. A los motores con un solo bobinado se les
denomina motores de polos conmutables o también de conexión DAHLANDER.
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Los motores con un solo devanado en conexión Dahlander tienen dos velocidades,
una doble que la otra, la tensión de alimentación es la misma para las dos velocidades, la potencia entregada es similar en ambas velocidades y su rotor es siempre en
jaula de ardilla. La figura 2.93 muestra las conexiones triangulo y doble estrella de
un devanado Dahlander.
Fig. 2.93
El devanado Dahlander es un devanado trifásico normal pero conectado en el interior del estator de tal forma que, según se conecten sus bornas exteriores a la red, el
motor tendrá un número de polos u otro distinto. El numero de polos es siempre el
doble uno del otro. Las combinaciones de polos más frecuentes son:
4/2, 8/4, y 12/6.
La conexión en triangulo tiene un número de polos más alto y le corresponde la velocidad más baja, la conexión en doble estrella tiene la mitad de polos que la conexión triangulo y por lo tanto una velocidad doble.
Esto se puede comprobar en el desarrollo mostrado en la figura 2.94 del estator, con
un devanado Dahlander 4/2, en el que se ha resaltado la fase 1U-1V.
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Fig. 2.94 Desarrollo del estator del motor Dahlander
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La figura 2.95 muestra la caja de bornas del motor y el modo de conexión para cada
velocidad de las indicadas.
Fig. 2.95 Caja de bornas y conexiones para triángulo y doble estrella
2.8.3 Motores monofásicos
Corresponden estos a máquinas asíncronas de un solo devanado en el estator, que
es el inductor. Son de jaula de ardilla conforme a los principios tecnológicos descritos en los apartados anteriores.
Sin embargo, ésta configuración base impide que el motor arranque por si solo porque el par de arranque es cero. Pero si se provoca un desequilibrio en el momento
de arranque, este comienza a girar. Para generar tal equilibrio se emplean diferentes
procedimientos, siendo el más empleado el denominado arranque por condensador,
lo que da al motor la configuración que muestra la figura 2.96.
Fig. 2.96 Configuración del motor monofásico
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Los componentes que intervienen son:
1 = Bobina de trabajo o principal.
2 = Bobina auxiliar o de arranque.
3 = Condensador de arranque.
El motor, por las razones indicadas, dispone ahora de dos bobinas en el inductor, las
cuales están desplazadas un valor equivalente a:
π (2 P)
donde:
P = Número de pares de polos del motor.
La bobina principal recibe energía eléctrica durante todo el tiempo de funcionamiento
del motor, a diferencia de la auxiliar, que la recibe durante el tiempo de carga del
condensador. Esta última bobina dispuesta en serie con el condensador de arranque
es la que genera el desfase entre la corriente de ambas, tal como muestra la figura
2.97.
Iaux
V
Iprincipal
I
2.97 Diagrama de fases
En tales condiciones, la secuencia de arranque del motor es la siguiente:
1. Al aplicar tensión de alimentación al motor se generan dos campos magnéticos desfasados 90º.
2. El devanado principal genera un campo magnético pulsante Hp que tiene
siempre la misma dirección y amplitud variable. Su sentido de giro es conforme al valor instantáneo de la corriente.
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Fig. 2.98 Campo magnético de la bobina principal respecto de la auxiliar.
3. El devanado auxiliar produce un campo magnético Ha desfasado 90º respecto
del anterior, tal como muestra la figura 2.99.
Fig. 2.99 Campo magnético de la bobina auxiliar
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4. Como consecuencia de ambos, el campo magnético resultante de la suma
vectorial es rotativo, tal como muestra la figura 2.100.
Fig. 2.100 Campo magnético rotativo como consecuencia de la suma vectorial de
las anteriores.
El motor gira así en el mimo sentido del campo magnético. Si se requiere el otro sentido, es preciso invertir las conexiones de la bobina principal.
2.8.4 Arranque de los motores
En los motores asíncronos se emplea un conjunto de procedimientos de arranque
para lograr objetivos definidos, de los que se pueden considerar como principales los
siguientes:
CONVENCIONALES
Directo
Modo en el que la tensión de la red se aplica directamente a sus bobinas, sin ningún
elemento de control interpuesto, salvo los necesarios contactores y la protección.
La corriente inicial para facilitar el arranque es de 4 a 8 veces la nominal.
Mediante resistencias en serie con el estator
Método primitivo de arranque basado en la conmutación secuencial mediante contactores de resistencia de valor decreciente dispuestas en serie con el estator.
Se puede comprender que está basado en un arranque con corriente de valor progresivo en el tiempo previsto hasta alcanzar el valor nominal.
Este procedimiento está completamente en desuso.
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Mediante reactancias en serie con el estator.
Procedimiento similar al anterior y con el mismo objetivo, diferenciándose en que
emplea reactancias de valor decreciente en el tiempo de la secuencia de arranque.
Se empleaba para motores de más potencia que en el procedimiento anterior para
reducir las pérdidas energéticas, pero esta también en descenso.
Mediante conmutación estrella-triángulo
Es el procedimiento convencional comúnmente empleado, naturalmente si el motor
lo permite porque tenga sus terminales accesibles para ello.
El motor arranca en estrella (ver montaje equivalente en los transformadores de la
figura 2.38) para quedar al cabo del tiempo previsto mediante un relé de retardo en
el modo triángulo (ver figura 2.39), que es el nominal.
En el modo estrella las bobinas están sometidas a una tensión dividida por √3, lo que
representa un 58% de reducción, aunque el par se reduce 1/3. En el modo triángulo,
el motor recupera sus parámetros nominales.
No siempre es posible este procedimiento de arranque tendente, como los anteriores, a reducir la corriente inicial, que en triángulo es muy alta, tal como se ha indicado. En efecto si de inicio se precisa el par nominal, el arranque debe ser el directo.
AVANZADO
La electrónica aplicada al control de los motores ha dado lugar a dos equipos que
son los siguientes:
ƒ
ƒ
Arrancador suave o progresivo
Convertidor de frecuencia para control total de los parámetros de arranque,
funcionamiento y parada.
Estos dos componentes están descritos en el apartado 2.10 dedicado a los dispositivos electrónicos de control.
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2.8.5 Motor universal
Fig. 2.101
Es un motor de DC con la excitación en serie con el inducido en DC se invierte el
sentido de giro con la polaridad.
Si a este se le aplica alterna como cambia en los dos a la vez, el sentido de giro no
cambia motivo que lo que puede trabajar en AC.
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PRACTICA Nº 2.8.1
MOTORES Y GENERADORES ELECTRICOS
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un motor y un generador acoplados mecánicamente.
Descripción:
Dada la configuración que muestra la siguiente figura, al aplicar una tensión eléctrica
a las bobinas a través de las escobillas, se produce un par de fuerzas por la acción
magnética y el dispositivo gira y, al hacerlo, cambia de bobina en un ciclo continuo.
La velocidad de giro depende de la intensidad del campo magnético que genera las
bobinas y por tanto de la tensión aplicada a los devanados.
Fig. 2.102
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En cuanto al generador de corriente continua, este tiene el mismo principio –un motor de continua se puede emplear como generador- ya que al hacer girar sus bobinas inmersas en un campo magnético (los imanes permanentes) nace tensión entre
ellas conforme a la ley de Faraday.
El entrenador incorpora dos motores idénticos acoplados mecánicamente (unión de
sus ejes) para emplearlos indistintamente como motor o como generador eléctrico.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación
•
K7. Kit de electromagnetismo y grupo motor/generador.
• MM. Multímetro digital
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
Cables de interconexión
Procedimientos:
a) Efectuar el montaje de a siguiente figura y alimentarlo con 12 V de continua procedentes del módulo MATM-38.
Fig. 2.103
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b) Accionar el potenciómetro bobinado P1 y comprobar dos efectos:
1. Que el motor cambia la velocidad con la tensión aplicada.
2. Los cambios de tensión aplicados al motor se refleja en el voltímetro.
c) Cambiar ahora la disposición del instrumento de medida tal como muestra la siguiente figura y llevar a cabo las siguientes acciones:
Fig. 2.104
1. Con P1 girando totalmente a la izquierda, comprobar la velocidad mínima
de giro del motor y medir la tensión generada, anotándola.
VGmin = ______
2. Girar P1 hacia la derecha y comprobar el aumento de la velocidad del
motor y de la tensión generada. Anotar el valor máximo obtenido.
VGmax = ______
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Por qué cambia la velocidad del motor con la tensión aplicada?.
2. Y la tensión del generador. ¿Por qué depende la velocidad de giro de su eje?.
NOTAS:
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PRACTICA Nº2.8.2
IDENTIFICACIÓN, MEDIDA DE LAS BOBINAS Y PUESTA
EN MARCHA DEL MOTOR MONOFÁSICO M-25
Finalidad:
Medir la resistencia eléctrica de las bobinas del motor monofásico con arranque por
condensador M-25 e identificar su conexionado para arranque e inversión de sentido
de giro y experimentar su funcionamiento.
Descripción:
El motor monofásico M-25 es del tipo por condensador, estado compuesto por las
bobinas de trabajo o principal, la auxiliar o de arranque y el condensador que se dispone en serie con esta última, tal como muestra la figura 2.105, que corresponde a
la serigrafía con hembrillas de 4 mm. del panel del motor.
Fig. 2.105 Panel del motor
Donde,
U2 = Bobina de trabajo
Z2 = Bobina de arranque
C = Condensador de arranque
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Una particularidad de la bobina de arranque es que la dirección de su campo magnético respecto del que genera la bobina de trabajo determina el sentido de giro del
motor. Las siguientes figuras muestran las formas de conexión para los dos sentidos
de giro.
SENTIDO DE GIRO DIRECTO
RED
Fig. 2.106 Conexionado para sentido directo
SENTIDO DE GIRO INVERSO
RED
Fig. 2.107 Conexionado para sentido inverso
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Equipamiento necesario:
ƒ
Motor M-25
ƒ
MM. Multímetro digital
ƒ
Cables de interconexión.
Procedimientos:
a) Medir la resistencia interna de las bobinas, anotando su valor.
U2 = _______ ohm
Z2 = _______ ohm
b) Mediante los cables de interconexión, configurar el motor para sentido de giro
directo.
c) Repetir la operación para montaje en sentido inverso.
d) Repetir el conexionado y comprobar con el multimetro dispuesto para medida de
resistencia el aislamiento eléctrico del condensador, observando la carga inicial,
cuyo tiempo está determinado por la resistencia interna del polímetro utilizado.
e) Aplicar tensión de red al motor y comprobar su funcionamiento en los dos sentidos de giro.
NOTAS:
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PRACTICA Nº2.8.3
IDENTIFICACIÓN, MEDIDA Y PUESTA EN MARCHA DEL
MOTOR UNIVERSAL M-26
Finalidad:
Identificar las bobinas, rotor bobinado y escobillas del motor universal para medir su
resistencia y ponerlo en funcionamiento.
Descripción:
El motor universal es el que puede operar con corrientes alternas y continuas, tal
como se ha indicado en el apartado 2.8.5 de esta sección. Su esquema es el de la
figura 2.108.
Fig. 2.108 Esquema general del motor universal
Equipamiento necesario:
ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MR-2. Módulo con diodos.
ƒ
Motor M-26. Motor universal
ƒ
MM. Multímetro digital
ƒ
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Observar todas las partes mecánicas y eléctricas del motor, especialmente lo
siguiente:
• El rotor bobinado
• Las escobillas
• Los dos bobinados de excitación.
b) Girar el eje con la mano para observar el roce de las escobillas del colector del
rotor bobinado.
c) Medir con el multimetro la resistencia eléctrica del motor, el cual tenía la siguiente configuración, figura 2.109.
Bobina de excitación
Inducido
Bobina de excitación
Fig. 2.109 Esquema del motor M-26
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d) Aplicarle la tensión alterna de la red procedente del módulo MATM-38 y comprobar su funcionamiento.
NOTAS:
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PRACTICA Nº2.8.4
IDENTIFICACIÓN, MEDIDA DE LAS BOBINAS Y PUESTA
EN MARCHA DEL MOTOR TRIFÁSICO M-380.
Finalidad:
Medir la resistencia eléctrica de las bobinas del motor de jaula de ardilla e identificar
su conexionado para arranque en estrella y en triángulo.
Descripción:
Los motores de jaula de ardilla comerciales disponen de una caja de conexiones de
6 terminales para configurarlos como estrella o como triángulo. La figura 2.110
muestra tal disposición.
Fig. 2.110 Caja de conexiones de los motores comerciales
En el motor didáctico M-380 del entrenador, tales conexiones de la caja de bornas
se ha prolongado a un diagrama de bloques con seis hembrillas de 4 mm, tal como
muestra la figura 2.111.
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W2
U2
V2
U1
V1
W1
Fig. 2.111 Serigrafía de las bobinas del motor didáctico M-380.
Con tales hembrillas y con cable de interconexión de clavija a clavija, es posible configurar el motor para los dos modos indicados. Así:
ESTRELLA
Fig. 2.112 Configuración para el montaje en estrella
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TRIÁNGULO
Fig. 2.113 Configuración para montaje en triángulo
Como se puede observar, en el montaje en estrella, entre cada fase hay dos bobinas
en serie, a diferencia del montaje en triángulo, en el que cada fase está aplicada a
una bobina.
Equipamiento necesario:
ƒ
Motor M-380
ƒ
Cables de interconexión.
• MM. Multímetro digital
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Procedimientos:
a) Mediante cables de interconexión, configurar el motor M-380 en montaje estrella,
identificando claramente los tres terminales de entrada de la red trifásica.
b) Disponer el polímetro para medida de resistencia y medir la que existe entre cada
fase de la entrada de red R, S, T, que deberán ser iguales, anotando el valor:
RS = _______ ohm
ST = _______ ohm
TR = _______ ohm
c) Comprobar el aislamiento entre las fases R,S, T y la masa del motor. Para ello
poner el medidor sucesivamente entre R, S, T y la tierra y observar que la resistencia que marca el instrumento tiene valor infinito.
d) Disponer ahora el motor en montaje triángulo y repetir la operación de medida de
la resistencia de las bobinas del motor, la cual debe ser en este montaje de valor
mitad al del punto b). Anotar el valor:
RS = _______ ohm
ST = _______ ohm
TR = _______ ohm
e) Aplicar la red trifásica al motor y experimentar su funcionamiento en los dos sentidos de giro.
NOTAS:
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2.9 PRÁCTICAS CON CIRCUITOS RLC
Práctica nº 2.9.1
Análisis de un circuito RC en serie
Práctica nº 2.9.2
Análisis de un circuito RC en paralelo
Práctica nº 2.9.3
Análisis de un circuito RL en serie
Práctica nº 2.9.4
Análisis de un circuito RL en paralelo
Práctica nº 2.9.5
Análisis de un circuito RLC en serie
Práctica nº 2.9.6
Análisis de un circuito LC en paralelo
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CONDICIONES PREVIAS
RESISTENCIAS (R)
En las resistencias la tensión y la corriente están en fase, por lo que su comportamiento es igual en alterna que en continua. Su característica básica sigue siendo su
valor y los cálculos se llevan a cabo mediante la ley de Ohm. Sin embargo, en asociación con bobinas o condensadores, las condiciones cambian, tal como se describe a continuación.
BOBINAS (L)
Las bobinas presentan oposición al paso de la corriente alterna, la cual es denominada Reactancia Inductiva, y que se significa como XL.
Tal efecto es proporcional a la velocidad angular de la tensión aplicada, con lo que el
valor de tal oposición, expresado en Ohm, es:
XL = 2πfL = ωL
donde,
XL = Reactancia inductiva
f = Frecuencia de la tensión en Hz.
L = Valor de la inductancia en Henrios (H).
ω = Velocidad angular
Si la bobina, en alterna, no está acompañada de otros componentes, presenta el
efecto de desfase de 90º entre la tensión y la corriente (adelanto de la tensión respecto de la corriente).
Cuando se combinan inductancias con resistencias o condensadores, la tensión y la
fase toman forma vectorial, tal como se describe en las siguientes prácticas.
CONDENSADORES
Los condensadores, en alterna, retrasan la tensión respecto de la corriente, para
después entregar tensión cuando están cargados. Presentan una denominada Reactancia Capacitiva, cuyo valor, en Ohm, se calcula mediante la siguiente expresión:
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1
XC =
2πfC
donde,
f = Frecuencia en Hz
C = Capacidad en Faradios
El condensador, como la bobina, si se combinan con componentes RL, la tensión y
la fase toman forma vectorial.
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PRÁCTICA Nº 2.9.1 ANÁLISIS DE UN CIRCUITO RC EN SERIE
Finalidad:
Analizar el funcionamiento de un circuito RC en serie alimentado con tensión alterna
del módulo MATM-38.
Descripción:
Se propone realizar una conexión RC en serie alimentada con tensión alterna procedente del módulo MATM-38.
Para calcular la corriente total y por tanto la caída de tensión en cada componente,
se tendrá que calcular previamente la impedancia equivalente del conjunto serie,
pero la suma de las impedancias no es algebraica, sino vectorial, tal como se ha indicado. Así:
Z = R + XC ;
luego ZT =
R2 + X2
C
1
Siendo XC =
2πfc
Con ello, la suma de tensiones queda del siguiente modo:
ET = ER + EC ; ET =
ER2 + EC2
La corriente total es la misma por todo el circuito al estar en serie. Si se le aplica la
Ley de Ohm se obtendrá:
IT =
ET
ZT
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-5. Módulo con condensadores.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de intercomunicación.
Procedimientos:
a) Dado el circuito de la figura siguiente, calcular la impedancia capacitiva y la impedancia total. Anotar sus valores.
Fig. 2.114. Circuito RC en serie
XC = ______
ZT = ______
b) Conexionar el circuito y aplicarle una tensión alterna de 15 V. procedente del
módulo MATM-38.
c) Medir la tensión existente en extremos de R y C y comprobar que se cumple la
siguiente igualdad:
ET =
ER2+ E C2
ER = R . I = _____
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EC = Xc . I = _____
d) Repetir operaciones conectando ahora en paralelo con C5 el condensador C4, tal
como muestra la figura 2.115
Fig. 2-115. Modificación del circuito
donde,
CT = C1 + C2
Cuestiones de autoevaluación:
1. Considérese que el instrumento de medida a emplear tiene una resistencia interna de 1 M Ohm/V con escala en 20 V. ¿Qué error se introduce en el circuito al
medir sobre R6?.
2. ¿Se podría poner C1 del módulo MC-5 en el lugar de C4?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.9.2
ANÁLISIS DE UN CIRCUITO RC EN PARALELO
Finalidad:
Analizar el funcionamiento de un circuito RC en paralelo alimentado con alterna.
Descripción:
Realizar una conexión RC en paralelo alimentando el circuito con corriente alterna
procedente del módulo MATM-38. Para calcular la corriente total y las corrientes parciales, se tendrá que calcular previamente la impedancia equivalente del conjunto
paralelo mediante la siguiente exposición:
Z=
R . XC
;
R + XC
ZT =
R + XC
R2 + XC
Como la tensión en un circuito paralelo es la misma en todo el circuito, la corriente
total será la suma vectorial de las componentes que circulan por cada rama.
IT = IC + IR ; IT
ET
ZT
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-5. Módulo con condensadores.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de intercomunicación.
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Procedimientos:
a) Conexionar el circuito de la figura 2.116 y conectarlo a la tensión alterna de 15 V
del módulo MATM-38.
Fig. Esquema del circuito propuesto
1
XC =
2πfc
; IT =
IR2+ I2
C
; IC =
ET
XC
; ZT =
ET
IT
b) Medir la corriente total y las corrientes paralelas, intercalando el instrumento de
medida, y comprobar la igualdad (salvo tolerancias) con los cálculos efectuados.
c) Repetir operaciones conectando en paralelo con C4, el condensador C5, tal como muestra la figura al pie.
Fig. 2.117 Modificación del circuito
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.9.3
ANÁLISIS DE UN CIRCUITO RL EN SERIE
Finalidad:
Analizar el funcionamiento de un circuito RL en serie alimentando con tensión alterna.
Descripción:
Analizar un circuito RL en serie alimentado con tensión alterna de 15 V. precedente
del módulo MATM-38. Para ello será preciso calcular previamente la impedancia
equivalente, que es:
Z = R + XL ;
ZT =
R2 + X2L
donde XL = 2πfL
luego la suma de las tensiones será:
ET = EL + ER ; ET =
E2L + ER2
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-5. Módulo con condensadores.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de intercomunicación.
Procedimientos:
a) Conexionar el circuito de la figura 2.118 y conectarlo a la salida de 15 V alterna
del módulo MATM-38.
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Fig. 2.118 Esquema del circuito propuesto
b) Calcular la impedancia inductiva (XL) y la corriente total del circuito (IT) conforme
a las siguientes expresiones y comprobar experimentalmente que se cumplen,
efectuando para ello las medidas necesarias.
XL = 2πfL
;
ZT =
R2 + XL2
;
IT =
ET
ZT
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.9.4
ANÁLISIS DE UN CIRCUITO RL EN PARALELO
Finalidad:
Analizar el funcionamiento de un circuito RL en paralelo alimentado con tensión alterna.
Descripción:
Realizar una conexión RL en paralelo alimentando al circuito con tensión alterna de
15 V. procedentes del módulo MATM-38. Para hallar la corriente total y las corrientes parciales, se tendrá que calcular previamente la impedancia equivalente de un
circuito paralelo mediante la siguiente expresión:
Z1 =
R3 . XL1
2
;
ZT = R2 + Z1 ; ZR = IT
R3 + XL1
Como la tensión en un circuito paralelo, en este caso, es igual a la caída de R2 más
la caída en el paralelo, se tendrá que la corriente por IR 2= IT será igual a la suma
vectorial de las corrientes que circulan por cada rama.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-3. Módulo con inductancias.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Cables de intercomunicación.
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Procedimientos:
a) Conexionar el circuito de la figura 2.119 y conectarlo a la salida de 15 V alterna
del módulo MATM-38. Calcular la impedancia inductiva (XL) y la corriente total del
circuito (IT).
Fig. 2.119 Esquema del circuito propuesto
b) Efectuar las medidas necesarias para comprobar que se cumplen los cálculos.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.9.5
ANÁLISIS DE UN CIRCUITO RLC EN SERIE
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un circuito RLC en serie conectado a la tensión
alterna de 15 V. del módulo MATM-38, y efectuar los cálculos necesarios y las medidas correspondientes de comprobación.
Descripción:
El circuito propuesto es el siguiente:
47
56 mH
220n
270n
Fig. 2.120 Esquema del circuito propuesto
En el se dan las siguientes acciones:
•
La tensión de ER = I . R, está en fase con la corriente.
•
La tensión de EL = I . XL, está adelantada 90º con respecto de la corriente.
•
La tensión de EC = I . XC, está retrasada 90º con respecto de la corriente.
En tales condiciones, la tensión aplicada corresponde a la raíz cuadrada de la suma
compuesta por el cuadrado de la tensión en extremos de la resistencia y el cuadrado
de la diferencia entre las tensiones de las reactancias. Así:
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E2 + (EL – EC)2
E=
Luego, tal como se ha indicado:
ER = IR
EL = I . XL
EC = I . XC
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-3. Módulo con inductancias.
•
MC-5. Módulo de condensadores.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
• MM. Multímetro digital
•
Cables de intercomunicación.
Procedimientos:
a) Montar el circuito propuesto.
b) Calcular los valores de XL y XC.
c) Con los datos obtenidos, calcular las caídas de tensión en extremos de los componentes R, L y C. Anotar los valores:
I=
ER =
EL =
EC =
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d) Efectuar las medidas necesarias para comprobar los cálculos efectuados. Pequeñas diferencias son debidas a la tolerancia de los componentes y grandes a
errores, lo que supone repetir operaciones.
e) Repetir operaciones poniendo en paralelo con L4 la bobina L3 y sobre C5 y C6
poner C4.
Cuestiones de autoevaluación:
1. ¿Se pueden cambiar de lugar los componentes RLC sin que se altere su funcionamiento?.
2. ¿Los condensadores podrían ser electrolíticos?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.9.6
ANÁLISIS DE UN CIRCUITO LC EN PARALELO
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un circuito LC en paralelo conectado a tensión
alterna de 15 V procedente del módulo MATM-38 y efectuar los cálculos necesarios
y las medidas correspondientes de comprobación.
Descripción:
El circuito propuesto es el siguiente:
100n
270n
22on
56 mH
Fig. 2.121 Esquema del circuito propuesto
En este montaje se da la condición de que la corriente de los dos circuitos está desfasada 180º, con lo que la corriente total es:
I T = IL - I C
Luego la impedancia es:
E
Z=
=
IT
XL . XC
XL + XC
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Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-3. Módulo con inductancias.
•
MC-5. Módulo de condensadores.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
• MM. Multímetro digital
•
Cables de intercomunicación.
Procedimientos:
a) Montar el circuito propuesto y alimentarlo en tensión alterna de 15 V.
b) Efectuar los cálculos necesarios y las medidas de comprobación para analizar
completamente el circuito, siguiendo los criterios de la práctica anterior.
NOTAS:
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2.10 PRÁCTICAS DE RECTIFICACIÓN Y FILTRADO
Práctica nº 2.10.1 Análisis de la curva de respuesta del diodo rectificador
Práctica nº 2.10.2 Rectificación de media onda
Práctica nº 2.10.3 Rectificación de doble onda con dos devanados
Práctica nº 2.10.4 Rectificación de doble onda con puente de Graezt
Práctica nº 2.10.5 Rectificación trifásica de media onda.
Práctica nº 2.10.6 Rectificación trifásica en puente.
Práctica nº 2.10.7 Rectificación para alimentar el motor universal.
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CONSIDERACIONES PREVIAS
El rectificador empleado en las fuentes de alimentación está compuesto por uno o
más diodos para convertir la tensión alterna de los secundarios del transformador en
una continua pulsatoria, la cual es posteriormente filtrada para convertirla en plana.
Los rectificadores se dividen en dos grupos, que son:
•
De media onda cuando rectifican solo uno de los semiciclos de la tensión de
entrada.
•
De doble onda cuando rectifican los dos semiciclos.
EL RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
Como se ha descrito anteriormente, los rectificadores de media onda son aquellos que solo rectifican uno de los dos semiciclos de la tensión de entrada.
La figura 2.122 muestra su configuración, en la que se puede observar las formas
de onda de las tensiones de entrada y salida.
Fig. 2.121 a) Rectificador de media onda
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Tensión de entrada VAB
Tensión de salida VBC
Fig. 2.122 b) Formas de onda
El funcionamiento del circuito de la figura es el siguiente:
Durante el primer semiciclo de la tensión de entrada VAB, el punto A es positivo respecto del punto B por lo que el diodo D1, está polarizado directamente y conduce,
estableciéndose una corriente I a través de la resistencia de carga Rc desde el punto
B al punto A.
Durante el segundo semiciclo de la tensión VAB,, el punto A es negativo respecto del
punto B por lo que el diodo D1 está polarizado inversamente y no conduce.
Este proceso se repite en cada ciclo, por lo que la tensión de salida VCB es una continua pulsatoria con el mismo valor de tensión de pico Vp que la de entrada VAB, pero con un valor eficaz o de continua Vcc menor. Su equivalencia está indicada en la
siguiente expresión:
Vp
Vcc = ----- = 0´318 x Vp
π
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Las frecuencias de las tensiones de entrada y de salida son iguales puesto que tienen el mismo periodo de repetición T. Recuérdese que la frecuencia (f) es igual a la
inversa del periodo (T).
1
f = ----T
RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA CON TRANSFORMADOR CON TOMA INTERMEDIA
Este tipo de rectificación está formado por un transformador que proporciona tensiones simétricas respecto a su toma intermedia y por dos rectificadores de media
onda conectados como muestran la figura 2.123.
Fig. 2.123 a) Rectificador de doble onda
Fig. 2.123 b) Tensión de entrada VAB o VBC
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Fig. 2.123 c) Tensión de salida VDB
Su funcionamiento es el siguiente:
Considérese en la figura 2.124 a) que durante el primer semiciclo de la tensión de entrada, el transformador toma las polaridades mostradas en la figura
al pie, de tal forma que el punto A es positivo respecto del punto B por lo que
D1 conduce, estableciéndose con ello una corriente I desde el punto B al punto A.
El diodo D2 no conduce durante este semiciclo puesto que el punto C es negativo respecto del punto B.
Fig. 2.124 a) Conducción de D1 durante el primer semiciclo
En el segundo semiciclo las polaridades del transformador cambian, como
muestra la figura 2.124 b), y en estas condiciones el diodo D1 no conduce
puesto que el punto A es negativo respecto del punto B, por lo que está polarizado inversamente.
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Fig. 2.124 b) Conducción de D2 durante el segundo semiciclo
El diodo D2 en este semiciclo conduce por estar polarizado directamente, al
ser el punto C positivo respecto del punto B, estableciéndose una corriente I,
del mismo sentido que en el semiciclo anterior, desde el punto B al punto C.
Respecto del valor de la tensión continua Vcc de salida, esta se determina
mediante la siguiente expresión:
2Vp
Vcc = ----- = 0´636 x Vp
π
RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA CON PUENTE DE GRAEZT
Este tipo de rectificador entrega una tensión de salida igual que el rectificador
anterior, pero utiliza para ello un transformador con un único devanado. La figura 2.125 muestra su esquema eléctrico con las formas de onda de sus tensiones de entrada y salida.
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Esquema eléctrico
Tensión de entrada VAB
Tensión de salida VBC
Fig. 2.125 Rectificación en puente y formas de onda
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Como se aprecia en la figura, el rectificador está formado por cuatro diodos, D1 a D4, los cuales conducen por parejas; D1 – D3 para el semiciclo
positivo y D2 – D4 para el negativo. Su funcionamiento en detalle es el siguiente:
Supóngase que durante el primer semiciclo de la tensión de entrada VAB el punto
A es positivo respecto del punto B como muestra la figura 2.126.
Fig. 2.126 Detalle de conducción durante el primer semiciclo
De los dos diodos D2 – D3 conectados al punto B, el único polarizado directamente es D3.
En el punto A el diodo que está polarizado directamente y por lo tanto en condiciones de conducir es D1.
En tales condiciones se establece una corriente I desde el punto B al punto A
siguiendo el recorrido mostrado por la flecha de la citada figura.
En el segundo semiciclo de la tensión de entrada VAB se invierte la polaridad,
quedando el punto B positivo respecto del punto A como muestra la figura
2.127:
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Fig. 2.127 Conducción durante el segundo semiciclo
En estas condiciones, de los dos diodos conectados al punto A, sólo está
polarizado directamente D4, al igual que D2 para el punto B, estableciéndose una corriente I que circula desde el punto A al punto B recorriendo la
resistencia de carga Rc en el mismo sentido que lo hizo en el semiciclo anterior.
La corriente I circula desde el punto C al punto D a través de la resistencia
de carga, correspondiendo el punto C a la salida negativa del rectificador
y el punto D a la positiva.
La tensión continua pulsatoria aplicada a la resistencia de carga tiene un valor de
tensión continua expresado en la siguiente fórmula:
2Vp
= 0´636 x Vp
Vcc =
π
Dicha tensión pulsatoria tiene una frecuencia que es doble respecto a la tensión de
entrada VAB por ser su periodo de repetición T2 la mitad de T1.
Filtrado
En el apartado referente a la rectificación se ha descrito que la tensión continua que
entregan los rectificadores, ya sean de media o doble onda, es pulsatoria. Este tipo
de tensión no es la adecuada para alimentar dispositivos electrónicos puesto que
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varía desde cero voltios hasta Vp, lo que hace necesario un filtro que amortigüe tales
variaciones.
Para lograr este propósito existen gran variedad de filtros, de los cuales se describen
a continuación los tres principales.
FILTRO CON CONDENSADOR
Es el filtro más sencillo. Está basado en la capacidad de acumulación de carga de
un condensador C conectado en paralelo con la resistencia de carga, como muestra
la figura 2.128 a).
Fig. 2.128 a) Conexión del filtrado al rectificador
Inicialmente el condensador C está descargado, pero cuando se produce
el primer semiciclo rectificado por D1, el condensador se carga siguiendo
la curva de dicho semiciclo hasta que este alcanza su valor máximo Vp,
como muestra la figura siguiente.
Fig. 2.128 b) Detalle de la carga del condensador
En ese momento D1 deja de conducir puesto que la tensión adquirida por
el condensador C lo polariza inversamente con respecto al tramo descendente del primer semiciclo, permaneciendo en este estado hasta que la
tensión del siguiente semiciclo supere la tensión del condensador.
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El condensador cargado a la tensión Vp en el primer semiciclo comienza a descargarse a través de la resistencia de carga, lo cual provoca una pendiente de
descarga del condensador en función de la constante de tiempo R – C, siendo esta pendiente de descarga la que determina el valor de la tensión de rizado VR de
la figura anterior, cuyo valor VR está expresada por la siguiente fórmula:
I
VR =
f.c
donde:
VR = Tensión de rizado pico a pico
I = Corriente continua en la carga
f = Frecuencia de la tensión de rizado en Hz
c = La capacidad en Faradios del condensador C
De la fórmula anterior se deduce que la tensión de rizado es directamente proporcional a la intensidad de descarga e inversamente proporcional a la capacidad del
condensador empleado y a la frecuencia.
La figura 2.129 muestra la reducción de la tensión de rizado VR con un rectificador de doble onda como consecuencia de que su frecuencia es doble
respecto de un rectificador de media onda.
Fig. 2.129 Detalle del filtro con rectificación de doble y media onda
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FILTRO EN “L”
Este filtro puede estar constituido bien por una red RC o bien por una red LC,
siendo ventajosa esta última por sus menores pérdidas y mayor eficacia. La
configuración de dicho filtro está representada en la figura 2.130.
Fig 2.130 Filtrado en “L”
Su funcionamiento está basado en la bobina L, que introduce impedancia inductiva XL ante la frecuencia de la tensión de rizado VR presente en el condensador, de tal forma que, despreciando las perdidas resistivas en el hilo de
la bobina, ésta es un cortocircuito para la corriente continua pero presenta
una oposición (atenuación) para la correspondiente alterna de dicha tensión
de rizado VR.
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PRACTICA Nº 2.10.1
ANÁLISIS DE LA CURVA DE RESPUESTA DEL DIODO
RECTIFICADOR
Finalidad:
Obtener experimentalmente la curva de respuesta del diodo rectificador básico.
Descripción:
Se trata de experimentar y obtener la curva de respuesta de un diodo en polarización directa para conocer su comportamiento no lineal con la corriente y con la tensión. Aplicando la denominada ecuación de la recta de carga estática de un diodo
polarizado sobre una resistencia de carga, se obtiene:
Ve – VD
ID =
R
Para obtener el punto de polarización del diodo se fijará la tensión de entrada entre 1
y 10 V, y se medirán las corrientes del diodo con respecto a la tensión.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MR-2. Módulo con diodos.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
• MM. Multímetro digital
•
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Montar el siguiente circuito:
R4
+
-
Fig. 2.131 El diodo polarizado directamente
b) Aplicar secuencialmente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10 voltios, ajustando para ello el
mando de la fuente de alimentación variable del módulo MATM-38 y medir la corriente para cada valor, trasladando ambas magnitudes (tensión y corriente) a las
coordenadas I, +U de la siguiente gráfica.
I(mA)
-U(V)
U(V)
(Ve)
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
-I(mA)
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c) Invertir las conexiones del diodo D1 para que quede polarizado de modo inverso
y repetir las operaciones.
R4 = 1K
+
D1
Vs
-
Fig. 2.132 El diodo polarizado inversamente
En este caso, al estar el diodo D1 cortado, se comporta como un circuito abierto,
ya que en cualquier caso Ve > Ø, por lo que, para cualquier valor de Ve mayor
que cero voltios, la corriente por el diodo es ID = Ø.
I(mA)
ID = Ø
(Ve)
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.10.2
RECTIFICACION DE MEDIA ONDA
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un circuito rectificador de media onda con y sin
condensador de filtro. Se empleará un osciloscopio para visualizar las formas de onda con y sin filtro.
Descripción:
Los circuitos propuestos son los siguientes:
RECTIFICADOR POR POSITIVO
RECTIFICADOR POR NEGATIVO
Fig. 2.133 Circuitos rectificadores
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Dependiendo de la posición del diodo, este deja pasar solo los semiciclos positivos
(parte superior) o solo los negativos (parte inferior).
R4 es la resistencia de carga y C3 el condensador de filtro, el cual se introduce en
esta práctica después de haber observado la tensión de salida del rectificador.
La procedencia de los componentes para esta práctica es la siguiente:
•
MATM-38. Suministro de 15 V. alterna
•
MC-5. El condensador del filtro C9.
•
MC-18. El interruptor del filtro.
•
MR-2. El diodo rectificador
•
MR-25. La resistencia R4
Las tensiones se medirán con el módulo de medidas MM-2.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-5. Módulo con condensadores.
•
MC-18. Módulo de iluminación.
•
MR-2. Módulo con diodos.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Osciloscopio
•
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Instalar en el bastidor los módulos que intervienen.
b) Montar el circuito rectificador por positivo y alimentarlo con 15 V. de alterna del
módulo MATM-38. Mantener abierto el interruptor del módulo MC-18.
c) Aplicar la sonda del osciloscopio a los terminales de R4 (la punta activa se conectará al extremo de R4 unido a D1) y comprobar la rectificación.
Se podrán observar los semiciclos positivos transferidos por D1.
d) Cerrar ahora el interruptor y comprobar que la tensión pulsatoria se hace plana
como consecuencia de la carga del condensador.
e) Medir la tensión en extremos del condensador con el multimetro y comprobar que
este se ha cargado a la tensión de pico.
VP = Vef x
2
f) Montar ahora el circuito rectificador por negativo y mantener igualmente abierto el
interruptor.
g) Aplicar la sonda del osciloscopio a R4, con la punta activa en el extremo de R4
unido con el diodo D1 y comprobar la presencia de impulsos correspondientes a
los semiciclos negativos.
h) Cerrar el interruptor y comprobar que la tensión pulsatoria se hace plana por la
acción del condensador.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.10.3 RECTIFICACION DE DOBLE ONDA CON DOS DEVANADOS
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un circuito rectificador de doble onda formado por
dos diodos y dos devanados del transformador del módulo MATM-38 (en realidad es
la salida de 15 + 15 de alterna). Se experimentará así mismo el efecto del condensador de filtro.
Descripción:
Los circuitos propuestos son los siguientes:
Fig. 2.134 Rectificador de doble onda
En este montaje se emplean los dos devanados del transformador de 15 + 15 V. del
módulo MATM-38.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-5. Módulo con condensadores.
•
MC-18. Módulo de iluminación.
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•
MR-2. Módulo con diodos.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Osciloscopio
•
Cables de interconexión.
Procedimientos:
a) Instalar en el bastidor los módulos que intervienen.
b) Montar el circuito propuesto, manteniendo cerrado el interruptor del módulo
MC-18.
c) Conectar el osciloscopio a los extremos de R4 en las condiciones expuestas en la
práctica anterior y comprobar la presencia de la tensión rectificada, la cual presenta la diferencia respecto de la rectificación con un solo diodo de que la frecuencia de los impulsos es doble (2 x frecuencia de la red).
d) Cerrar el interruptor para comprobar que se hace plana la tensión rectificada.
Cuestiones de evaluación:
1. ¿Si se intervienen las conexiones del devanado S2, mantendrá el circuito su funcionamiento normal?.
2. ¿Y si se hace en S1?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.10.4
RECTIFICACION DE DOBLE ONDA CON PUENTE DE
GRAETZ
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un circuito rectificador de doble onda formado
con un solo devanado y cuatro diodos en puente de Graetz.
Descripción:
El circuito propuesto es el siguiente:
Fig. 2.135 Rectificación en puente
En este montaje se emplea la tensión de 15 V. alterna del módulo MATM-38.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MC-5. Módulo con condensadores.
•
MC-18. Módulo de iluminación.
•
MR-2. Módulo con diodos.
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•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Osciloscopio
•
Cables de interconexión.
Procedimientos:
f)
Instalar en el bastidor los módulos que intervienen.
g) Montar el circuito propuesto, manteniendo cerrado el interruptor del módulo
MC-18.
h) Experimentar este circuito con los criterios de las prácticas anteriores.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.10.5
RECTIFICACION TRIFÁSICA DE MEDIA ONDA
Finalidad:
Experimentar el funcionamiento de un circuito rectificador de media onda y filtrado
con tensión trifásica de 3 x 73 V. procedente del transformador didáctico TRB-03.
Descripción:
El principio de rectificación descrito para redes monofásicas se puede aplicar para
trifásica, con la diferencia de que los semiciclos de salida tienen una frecuencia de
150 Hz. para redes de 50 Hz, y de 180 Hz para las de 60 Hz. El esquema propuesto
es el siguiente:
Fig. 2.136 Rectificador trifásico de media onda
Los tres devanados son los secundarios del citado transformador, el cual se debe
conectar a la red trifásica. En ese, los devanados primarios se conectarán en estrella
y se unirán a la red trifásica de alimentación y los secundarios serán los citados de
73 V.
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Equipamiento necesario:
•
TRB-03. Transformador didáctico
•
MR-2. Módulo con diodos.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Osciloscopio
•
Cables de interconexión.
Procedimientos:
e) Instalar en el bastidor los módulos que intervienen.
f)
Montar el circuito propuesto, para lo que es necesario llevar a cabo las siguientes acciones:
• Cablear los primarios del transformador didáctico TRB-03 en estrella y dejar
prevista una conexión para la red trifásica.
• Cablear los devanados secundarios de 73 V. conforme al esquema, uniéndolos después a tres diodos del módulo MR-2.
• Emplear como carga (RL) la resistencia R8 del módulo de componentes resistivos MR-25.
g) Conectar los primarios de los transformadores a la red trifásica y el osciloscopio
en extremos de RL (R8) y observar y medir con el osciloscopio la forma de onda
obtenida. Dibujarla y anotar los siguientes parámetros:
T=
Vp =
f=
NOTAS:
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RÁCTICA Nº 2.10.6
RECTIFICACION TRIFÁSICA EN PUENTE
Finalidad:
Realizar y experimentar un montaje de rectificador en puente y filtrado con tensión
trifásica de 3 x 73 V. procedente del transformador didáctico TRB-03.
Descripción:
Se puede emplear un puente trifásico para obtener rectificación de doble onda con
los criterios de los sistemas monofásicos, aunque, como en la rectificación anterior,
la frecuencia de salida es 3 x f, con lo que se simplifica el sistema de filtro para hacer
uniforme la tensión pulsante de salida. El circuito propuesto es el siguiente:
Fig. 2.137 Rectificación trifásica
En este montaje también se emplea el transformador didáctico TRB-03, cuyos devanados primarios, dispuestos en estrella, se conectan a la red y los secundarios
son los de 73 V. La resistencia de carga es la misma que la de la práctica anterior.
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Equipamiento necesario:
•
TRB-03. Transformador didáctico.
•
MC-5. Módulo con condensadores.
•
MR-2. Módulo con diodos.
•
MR-25. Módulo con componentes resistivos.
•
MM. Multímetro digital
•
Osciloscopio
•
Cables de interconexión.
Procedimientos:
a) Instalar en el bastidor los módulos que intervienen.
b) Montar el circuito propuesto sin el condensador C8, para lo que es necesario llevar a cabo las siguientes acciones:
• Cablear los primarios del transformador TRB-03 en estrella y dejar prevista
una conexión para la red trifásica.
• Cablear los devanados secundarios de 73 V. del transformador conforme al
esquema, uniéndolos a tres diodos del módulo MR-2.
• Emplear como carga (RL) la resistencia R8 del módulo de componentes resistivos MR-25.
c) Conectar los primarios de los transformadores a la red trifásica y el osciloscopio a
extremos de RL (R8) y observar y medir con el osciloscopio la forma de onda obtenida. Dibujarla y anotar los siguientes parámetros:
T=
Vp =
f=
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d) Desconectar de la red, conectar en paralelo con la resistencia de carga el condensador C8 del módulo MC-5 y llevar a cabo las siguientes acciones:
• Conectar de nuevo a la red trifásica.
• Comprobar que la tensión de salida es ahora plana.
• Medir la tensión de salida con el osciloscopio, comprobando el cambio experimentado, el cual corresponde a la carga del condensador a la tensión de pico.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.10.7
RECTIFICACION PARA ALIMENTAR EL MOTOR UNIVERSAL
Finalidad:
Rectificar la tensión monofásica de la red tomada del módulo MATM-38 para alimentar con corriente continua el motor universal M-26.
Descripción:
El motor M-26 es del tipo universal, lo que supone que puede funcionar con corriente
alterna y con continua. Su esquema básico es el de la figura 2.138.
Fig. 2.138 Esquema básico del motor universal
En esta práctica se procederá a rectificar la tensión de la red y a aplicarla al motor.
Equipamiento necesario:
•
MATM-38. Módulo de alimentación.
•
MR-2. Módulo con diodos.
• MM. Multímetro digital
•
M-26. Motor universal
•
Cables de interconexión.
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Procedimientos:
a) Instalar en el bastidor los módulos que intervienen en la práctica.
b) Cablear el circuito de la figura 2.139.
Fig. 2.139 Esquema del circuito propuesto
Los diodos son los del módulo MR-2, del que se emplearán cuatro para formar un
puente rectificador para tensión monofásica.
c) Aplicarle al puente rectificador la tensión alterna de la de red procedente del módulo MATM-38.
d) Comprobar que el motor funciona. Medir la tensión continua de salida del puente
con el multímetro.
NOTAS:
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2.11 PRÁCTICAS DE CIRCUITOS ELECTRICOS DE APLICACIÓN
Práctica nº 2.11.1 Instalación eléctrica básica con lámparas
Práctica nº 2.11.2 Lámparas controladas desde dos puntos
Práctica nº 2.11.3 Lámparas controladas desde tres puntos
Práctica nº 2.11.4 Instalación de un tubo fluorescente
Práctica nº 2.11.5 Control de lámparas mediante un relé interruptor
Práctica nº 2.11.6 Control de lámparas mediante un relé conmutador
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PRÁCTICA Nº 2.11.1
INSTALACIÓN ELÉCTRICA BÁSICA CON LÁMPARAS
Finalidad:
Realizar el montaje de un punto de luz con interruptor y pulsador. La tensión de alimentación de esta práctica se toma de los 24 V AC del módulo MATM-39.
Descripción:
El punto de luz del montaje propuesto debe cumplir las siguientes condiciones:
ƒ
Montaje en serie. La lámpara se encenderá solo si el interruptor está activado y se presiona el pulsador.
ƒ
Montaje en paralelo. La lámpara se encenderá permanentemente si el interruptor está activado, con independencia del estado del pulsador, y solo al pulsar este último si el interruptor está desconectado.
Equipamiento necesario:
ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MC-18. Módulo de iluminación.
ƒ
Cables de interconexión
Procedimientos:
a) Instalar los módulos de la alimentación.
b) Instalar los módulos específicos de esta práctica y cablearlos para el montaje en
serie de la figura siguiente. Después comprobar que se cumple lo indicado.
c) Repetir la operación para el montaje en paralelo y comprobar que su funcionamiento responde a lo indicado.
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24 V
24 V
Fig. 2.140 Esquemas de los montajes a experimentar
NOTAS:
PRÁCTICA Nº 2.11.2
LÁMPARAS CONTROLADAS DESDE DOS PUNTOS
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Finalidad:
Realizar el montaje de un punto de luz conmutado desde dos posiciones. La tensión
de alimentación se tomará de los 24 V. AC del módulo MATM-38.
Descripción:
El empleo de conmutadores permite controlar un punto de luz desde dos posiciones,
de tal modo que se puede encender desde uno y apagar desde el otro. El circuito
propuesto es el de la figura 2.141.
24 V
FIg. 2.141 Esquema del montaje propuesto
Como se puede observar, el circuito controla una fase de la alimentación para encender y apagar desde cualquiera de las dos posiciones.
Equipamiento necesario:
ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MC-18. Módulo de iluminación.
ƒ
Cables de interconexión
Procedimientos:
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a) Instalar los módulos de la alimentación.
b) Mediante el polímetro, comprobar la conmutación eléctrica que se produce en
ellos. Esta práctica se hace sin tensión, con el polímetro situado en medida de
continuidad.
c) Instalar los módulos específicos de esta práctica y cablearlos conforme muestra
la figura 2.141.
d) Comprobar que el punto de luz se puede apagar y encender desde cada conmutador.
CUESTIONES:
•
•
•
•
•
¿Qué ocurrirá si en uno de los conmutadores se desconectase el conductor del
común?.
¿Qué sucede cuando se pulsa el conmutador C1 estando la lámpara encendida?.
¿Desde que conmutador se puede encender la lámpara después de apagarla?
¿Por qué?.
¿Se puede utilizar un conmutador como interruptor ¿Por qué?.
¿Qué ocurrirá si en el circuito de la figura se avería un conmutador?.
NOTAS:
PRÁCTICA Nº 2.11.3
LÁMPARAS CONTROLADAS DESDE TRES PUNTOS
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Finalidad:
Realizar la instalación de un punto de luz controlador desde tres posiciones empleando para ello dos conmutadores y uno de cruzamiento.
Descripción:
El control de un punto de luz desde más de dos posiciones, que es el límite del montaje de la práctica anterior, implica el empleo de inversores o conmutadores de cruzamiento, cuya función es, conforme a su denominación, invertir las fases de la red
ante cada maniobra. La figura 2.142 muestra el circuito propuesto, que incluye los
dos conmutadores de la práctica anterior y este nuevo componente de cruzamiento
(CX).
24 V
Fig. 2.142 Esquema del circuito propuesto
Por razones obvias, se pueden intercalar tantos inversores de cruzamiento como se
desee.
Equipamiento necesario:
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ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MC-18. Módulo de iluminación.
ƒ
Cables de interconexión
Procedimientos:
a) Instalar los módulos de la alimentación.
b) Instalar los módulos específicos de esta práctica
c) Comprobar con el polímetro el cruce que se produce entre los contactos de la
entrada respecto de la salida de los conmutadores de cruzamiento ante cada
maniobra. Compararlo con el conmutador.
d) Cablear los módulos específicos conforme al esquema de la figura 2.142 y comprobar que el punto de luz se puede controlar indistintamente desde los tres mecanismos.
CUESTIONES:
•
•
•
•
•
¿Se puede utilizar un conmutador simple como uno de cruzamiento? ¿Por
qué?.
¿Se puede utilizar uno de cruzamiento como conmutador simple? ¿Por qué?.
¿Se puede utilizar uno de cruzamiento como interruptor? ¿Por qué?.
¿Qué ocurre si en el circuito de la figura se avería un conmutador?.
¿Enunciar algunas de las aplicaciones reales que puede tener el circuito
montado en instalaciones domesticas.
NOTAS:
PRÁCTICA Nº 2.11.4
INSTALACIÓN DE UN TUBO FLUORESCENTE
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Finalidad:
Realizar el montaje de un tubo fluorescente, con todos sus componentes. Esta práctica se hace a tensión de red.
Descripción:
El montaje propuesto es el de la figura siguiente, en la que se podrá observar que
corresponde al montaje convencional con reactancia y cebador.
Fig. 2.143 Componentes que forman el montaje de un fluorescente
Por razones didácticas se ha incorporado al esquema el interruptor magnetotérmico,
aunque no se emplee como módulo en esta práctica.
Equipamiento necesario:
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ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MC-18. Módulo de iluminación.
ƒ
ME-17N. Módulo con tubo fluorescente.
ƒ
Cables de interconexión
Procedimientos:
a) Instalar los módulos de la alimentación.
b) Instalar los módulos específicos de esta práctica y cablearlos conforme muestra
la figura 2.143.
c) Accionar un interruptor del módulo MC-18 y comprobar que se enciende el tubo.
Retirar un cable del cebador y comprobar que se mantiene encendido porque su
acción ha sido solo de inicio, para cebar el tubo. Comprobar que sin el cebador,
el tubo no se ceba de nuevo y por tanto no se enciende.
CUESTIONES:
•
•
•
•
¿Cuál es la función del cebador?.
¿Si con el tubo encendido, se quita el cebador ¿Se apaga el tubo? ¿Por qué?.
¿Es posible encender el tubo sin cebador? ¿cómo y por qué?.
¿Se puede sustituir el cebador por un interruptor?, ¿Y por un pulsador?.
NOTAS:
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PRÁCTICA Nº 2.11.5
CONTROL DE LAMPARAS MEDIANTE UN RELE INTERRUPTOR
Finalidad:
Realizar el montaje de control de dos lámparas mediante un relé del módulo RL-1 a
modo de un interruptor. La tensión de alimentación de esta práctica es la de 24 V AC
procedente del módulo MATM-38.
Descripción:
Los relés electromecánicos pueden ser empleados como interruptores o conmutadores con la ventaja de gobernar grandes potencias con muy reducidas corrientes de
control, por ejemplo con pequeños interruptores y pulsadores con los que alimentar
su bobina que cierre los contactos de potencia.
La figura 2.144 muestra el circuito propuesto que, aunque no gobierna grandes potencias, solo dos lámparas de reducido consumo del módulo MC-18, pone de manifiesto el modo de conexión y control.
Fig. 2.144 Esquema del circuito propuesto
Equipamiento necesario:
ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MC-18. Módulo de iluminación.
ƒ
RL-1. Módulo con relés.
ƒ
Cables de interconexión
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Procedimientos:
a) Instalar los módulos específicos de esta práctica y cablearlos conforme muestra
la figura 2.144.
b) Activar el interruptor elegido del módulo MC-18 y comprobar que las lámparas se
encienden como consecuencia de la alimentación del relé.
NOTAS:
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PRACTICA Nº2.11.6
CONTROL DE LAMPARAS MEDIANTE UN RELE CONMUTADOR
Finalidad:
Realizar un montaje de control de dos lámparas mediante un relé conmutador del
módulo RL-1. La tensión de alimentación de esta práctica es de 24 V AC procedente
del módulo MATM-38.
Descripción:
Este montaje es complementario al de la práctica anterior. En esta se emplea el relé
como conmutador entre dos puntos de luz. En reposo está encendida una lámpara
aprovechando los contactos normalmente cerrados (NC) del relé y al alimentar su
bobina cambia la posición del cursor de su conmutador, con lo que se enciende el
otro punto de luz. La figura 2.145 muestra el circuito propuesto.
Fig. 2.145 Esquema del circuito propuesto
Equipamiento necesario:
ƒ
MATM-38. Módulo de alimentación.
ƒ
MC-18. Módulo de iluminación.
ƒ
RL-1. Módulo con relés.
ƒ
Cables de interconexión
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Procedimientos:
a) Instalar los módulos de la alimentación.
b) Instalar los módulos específicos de esta práctica y cablearlos conforme muestra
la figura 2.145.
c) Comprobar que con el relé en reposo (el interruptor de red abierto) está encendida una lámpara y al activarlo (el interruptor cerrado) se apaga esa y se enciende
la otra.
d) Efectuar, a elección, otras prácticas de conmutación con los relés del módulo RL1. Sus contactos pueden gobernar una corriente de 8 A a 250 V. AC.
NOTAS:
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3. BIBLIOGRAFÍA
• CONTROL ELECTRÓNICO DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Enriquez Harper.
Ediciones Limusa.
• ELECTROTECNIA. Pablo Alcalde San Miguel. Edit. Paraninfo.
• PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE ELECTRÓNICA. Pablo Alcalde San Miguel.
Edit. Paraninfo.
• EDITORIAL GENERAL. Edit. Ceac.
• TRANSFORMADORES. Edit. Ceac.
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