01 Laboratorio de circuitos

Universidad Nacional de Colombia -Sede Medellín
Laboratorio 1-Informe
Carlos Eduardo Gutiérrez López - 1020457282
Camilo Montoya Ángel - 1037667107
Dayana María López Sánchez - 1001233791
INTRODUCCIÓN:
El presente informe presentará los resultados de simulación de tres circuitos con conexiones circuitales
en serie, paralelo y mixta. Se realizaron montajes con elementos sencillos: resistencia, bombilla
incandescente y una fuente de voltaje AC, para ilustrar el comportamiento de estos tres tipos de
conexiones circuitales, ya que son las formas básicas en las que viene dado un circuito. Se describirán
los cálculos teóricos que fueron tenidos en cuenta, así como descripciones generales de los resultados
de simulación obtenidos.
OBJETIVOS:
Retomar mediante tareas de diseño los conceptos de circuitos conectados en serie, en paralelo y en
ambos tipos de conexiones.
Identificar los puntos de un circuito que permiten tomar mediciones de voltajes, corrientes y potencias.
Hacer uso de algún software de simulación de circuitos para simular circuitos simples y comenzar a
desarrollar familiaridad con dichos programas.
DISEÑOS Y CÁLCULOS TEÓRICOS:
Todas las simulaciones se harán con una fuente AC de 60 kHz y, en base a los últimos dos dígitos de
las identificaciones de los primeros dos integrantes del equipo de trabajo, se establecieron los siguientes
valores de fuente, bombilla y resistencia:
1. Fuente AC 𝑉𝑓 = 120 𝑉 − 2.9𝑉 = 117.09𝑉
2. Bombillas de 120 𝑉 y 𝑃𝑏 = 100 − 3.07 = 96.93 𝑊
3. Resistencia 𝑅𝑙 = 214 − 3.07 = 210.93 𝑂ℎ𝑚𝑖𝑜𝑠
A continuación, se ilustran los resultados de tres circuitos diferentes: uno conectado en serie, otro
conectado en paralelo y finalmente un circuito mixto. Se analizarán los valores de los parámetros que
pueden medirse en el circuito, así como el resultado general que se produjo en cada simulación, para
analizar los diferentes comportamientos según el tipo de conexión:
Circuito #1, conexión en serie:
Para el diseño del circuito conectado en serie, se utilizaron: una resistencia, tres bombillas
incandescentes y una fuente de voltaje AC. Los valores de los parámetros de cada uno de estos
elementos son los que fueron especificados al inicio de la sección. La siguiente Figura muestra una
captura en un instante del tiempo de la simulación general del circuito:
Figura 1: Circuito en serie
En la siguiente tabla se resumen los valores de voltajes, corrientes y potencias que se lograron medir de
la simulación. Cabe resaltar que estos valores corresponden a los reportados en el instante del tiempo
en el cual fue tomada la captura, pero ya que la fuente es de Corriente Alterna, estos variarán a lo largo
del tiempo durante toda la operación del circuito.
Bombilla 1
Bombilla 2
Bombilla 3
Resistencia
Fuente
Voltaje (V)
-6.5880
-6.5887
-6.5883
-9.354
-29.119
Corriente
(mA)
-44.357
-44.357
-44.357
-44.357
-44.347
Potencia (W)
0,29222
0,29225
0,29224
0,41491
1,2913
Tabla 1: Circuito en serie (medidas)
Lo primero que debemos analizar es que los valores que aparecen en la Figura 1 no corresponden
completamente con los valores que fueron reportados en la Tabla 1, especialmente los valores de
voltajes. Esto se debe a que el simulador entrega medidas de los voltajes nodales, es decir, la diferencia
de potencial de cada nodo respecto a la tierra del circuito. Sin embargo, la cantidad de interés en este
caso es la diferencia de potencial entre los nodos a los cuales está conectado cada elemento. Por esta
razón, se debe realizar la resta de los voltajes nodales correspondientes en cada elemento para obtener
la diferencia de potencial real que está experimentando el elemento en sí. Son estas restas los valores
que se encuentran reportados en la Tabla 1.
A partir de la Tabla 1 hay un par de cosas interesantes que pueden extraerse. La primera y más elemental
es el hecho de que la corriente que atraviesa cada elemento es exactamente la misma, ya que esta es la
naturaleza de un circuito conectado en serie: la corriente recorre un solo lazo cerrado y no sufre ninguna
bifurcación, y por esta razón su valor se mantendrá constante en todo el circuito. Habiendo concluido
la naturaleza de la conexión en serie del circuito, se puede ver también un hecho que fue descrito en el
preinforme respectivo a esta práctica, y es que el voltaje de cada una de las bombillas es
aproximadamente el mismo. Esto se debe a que las características físicas de las bombillas son
aproximadamente las mismas, y por este motivo era de esperarse que la diferencia de potencial que
experimentan fuera la misma en todo instante, al menos en teoría. En la simulación se observa de una
manera muy cercana este comportamiento, solo con leves diferencias del orden de 10^-4V entre cada
bombilla: esta diferencia es insignificante y puede deberse a los métodos numéricos que usa el
simulador, y se corrobora entonces este hecho que se esperaba teóricamente. Otro hecho de validez
teórica que se confirma es que tanto la ley de voltajes de Kirchoff como la suma total de potencias se
cumple en el instante de tiempo que se midió, ya que la potencia que entrega la fuente es de 1.2913 W,
y la suma de las potencias que se disipan en los elementos es de aproximadamente 1.2916 W; y de
manera análoga, se cumple que el voltaje de la fuente en el instante de la Figura es de -29.119 V, lo
cual es exactamente igual a la suma de voltajes que hay presentes en cada uno de los elementos, la que
resulta ser de -29.119 V al hacer el cálculo manual.
El comportamiento observado de las bombillas en la simulación dinámica del circuito fue que estas se
encendían y apagaban intermitentemente a una frecuencia aproximadamente iguala la de la fuente AC:
esto se espera ya que la fuente AC precisamente proporciona corriente en el circuito alternando su valor
a una frecuencia de 60 kHz, lo cual se traduce en el comportamiento que fue observado en las bombillas.
Finalmente, se debe mencionar que este análisis, hecho para el instante en el que fue tomada la captura
del circuito, es de validez general para cualquier instante del tiempo que se quiera analizar.
Circuito #2, conexión en paralelo:
En el montaje en paralelo se tomaron las mismas consideraciones que en el montaje del Circuito #1. Es
decir, los elementos usados que son fuente, bombillas, resistencia, frecuencias y demás configuraciones
en los parámetros serán las mismas, y a su vez se hizo el análisis en un instante aleatorio de la
simulación.
Imagen 2: Circuito en paralelo
En la siguiente Tabla se resumen los valores de voltajes, corrientes y potencias que se lograron medir
de la simulación, en el instante del tiempo en el cual fue tomada la captura:
Fuente
Resistencia
Bombilla 1
Bombilla 2
Bombilla 3
Voltaje(V)
115.92
115.92
115.92
115.92
115.92
Corriente
(mA)
-2890.5
549.58
780.30
780.30
780.30
Potencia(W)
-335,066
63.7073
90,4528
90,4528
90,4528
Tabla 2: Circuito en paralelo (medidas)
A diferencia del caso del Circuito #1, los valores que aparecen medidos en la Figura 2 corresponden
completamente con los valores que fueron reportados en la Tabla 2. Esto se debe a que el simulador
entrega las medidas de las corrientes correspondientes a cada línea y no es necesario realizar cálculos
adicionales con ellas. Mientras tanto, en el caso del voltaje se debe notar que, dado el montaje en
paralelo, los voltajes son el mismo tanto en la fuente como en la resistencia y, por este tipo de conexión,
en los demás elementos de manera análoga se cumplirá esta igualdad. También se puede apreciar cómo
la corriente que atraviesa las bombillas es igual debido a las características físicas que estas presentan,
y además, como tienen un mismo voltaje dado por su conexión, obtenemos potencias iguales en cada
una de ellas.
Por último, se puede observar cómo al hacer un balance de potencias, el elemento que produce energía
(la fuente) tiene potencia en este caso de -335,066W y, por otro lado, al hacer la respectiva suma
potencia de los demás elementos del circuito se obtiene aproximadamente 335,0657 W, y así se verifica
que los valores son correctos al estar muy cercano la potencia entregada por la fuente de la potencia
disipada en los elementos.
Se observó, de manera análoga a como ocurrió en el Circuito #1, cómo las bombillas se encendían y
apagaban intermitentemente en la simulación dinámica del circuito, debido a los cambios en el signo
inherentes a la fuente de voltaje AC.
Finalmente, se debe mencionar nuevamente que este análisis, hecho para el instante en el que fue tomada
la captura del circuito, es de validez general para cualquier instante del tiempo que se quiera analizar.
Circuito #3, circuito mixto:
A diferencia de los Circuitos #1 y #2, para este montaje no se hizo uso de ningún elemento resistivo, y
en cambio se usaron 4 bombillas con los mismos parámetros de las bombillas anteriores, y la misma
fuente de voltaje AC. La siguiente Figura muestra una captura en un instante del tiempo de la simulación
general del circuito:
Figura 3: Circuito Mixto
En la siguiente Tabla se resumen los valores de voltajes, corrientes y potencias que se lograron medir
de la simulación. Como se ha venido manejando en los Circuitos anteriores, los valores en esta Tabla
corresponden a los reportados en el instante del tiempo en el cual fue tomada la captura.
Bombilla 1
Bombilla 2
Bombilla 3
Bombilla 4
Fuente
Voltaje (V)
44.164
44.191
22.095
22.095
110.48
Corriente
(mA)
297.46
297.46
148.73
148.73
297.46
13.13702
13.15405
3.2862
3.2862
32.8634
Potencia (W)
Tabla 3: Circuito Mixto (medidas)
De igual manera a como ocurrió con el Circuito #1, para calcular la diferencia de potencial de las
bombillas 1 y 2, fue necesario calcular manualmente la resta entre los nodos correspondientes a cada
una de estas para obtener el voltaje que se encuentra reportado en la Tabla 3. Sin embargo, para las
bombillas 3 y 4 esto no fue necesario, ya que estas se encuentran conectadas en paralelo entre el nodo
3 y tierra, razón por la cual el voltaje reportado en la Tabla sí coincide con el de la Figura 3. Este hecho
permite conectar con la idea de que el circuito de la Figura 3 es un circuito conectado de manera mixta:
las bombillas 3 y 4 se encuentran conectadas en paralelo, ya que experimentan el mismo voltaje;
mientras tanto, las bombillas 1 y 2 se encuentran conectadas en serie, puesto que ellas son atravesadas
por el mismo valor de corriente. Así se configura entonces un circuito que se encuentra conectado en
ambos tipos de conexiones: serie y paralelo, y por eso se conoce como un circuito mixto.
Además del tipo de conexión, es posible comprobar que las leyes circuitales se cumplen: para la Ley de
Voltajes, basta con calcular la suma en el lazo cerrado conformado por las bombillas 1, 2 y 3 para
concluir que esta es de 110.45 V, lo cual es prácticamente igual a los 110.48 V que está entregando la
fuente en ese instante. Se corrobora también el hecho de que la corriente total del circuito, es decir, la
que sale de la fuente y es igual a 297.46 mA, se bifurca para atravesar las bombillas 3 y 4 y, más
precisamente, se divide en la mitad de la corriente total, y así estas dos bombillas son atravesadas por
148.73 mA, lo cual verifica la Ley de Corrientes. Finalmente, la suma de las potencias que consumen
las 4 bombillas resulta ser de 32.8391 W, lo cual se aproxima bastante a la potencia de 32.8634 W que
fue reportada para la fuente. Así, se verifica entonces que la simulación cumple con lo que se esperaría
de los cálculos manuales.
El comportamiento de las bombillas al correr una simulación dinámica del circuito es bien particular,
ya que estas siguen encendiéndose y apagándose de manera intermitente conforme cambia de valores
la fuente; sin embargo, se hace evidente que las bombillas 3 y 4 se encienden mucho más tenuemente
que las bombillas 1 y 2. Este comportamiento se observa claramente en la amplia diferencia que existe
en los valores de potencia que disipan las bombillas 1 y 2 respecto a la cantidad de potencia que disipan
3 y 4. Esto es debido a que las bombillas 1 y 2 son atravesadas por la corriente máxima que hay en el
circuito, mientras que para llegar a las bombillas 3 y 4, la corriente y el voltaje tuvieron que dividirse a
la mitad.
Finalmente, se destaca nuevamente el hecho de que este análisis, realizado para el instante de tiempo
en el cual fue tomada la captura, es de validez general para todo instante del tiempo.
CUESTIONARIO:
Describa el principio de funcionamiento de los interruptores.
R= el funcionamiento del interruptor se basa en abrir o cerrar el circuito en un determinado punto,
cortando o permitiendo respectivamente el paso de la corriente a través del conductor
Diga Cómo están clasificados los interruptores y mencione ejemplos de sus usos.
R= Actualmente hay gran variedad de interruptores clasificados por propósito, diseño, tecnología, Etc.
Los hay desde los que apagan y prenden una bombilla (Actuantes), hasta los que cumplen la función de
interrumpir la corriente en caso de presentar un cortocircuito o sobrecarga de corriente eléctrica.
(Termomagnético)
¿Qué es un interruptor diferencial? Describa su funcionamiento.
R= interruptor diferencial o disyuntor se caracteriza por interrumpir la corriente eléctrica cuando las
personas se encuentran en peligro; de las descargas eléctricas. Funciona en conjunto con las tomas de
tierra de todos los elementos de instalación. Compara la intensidad que entra en los circuitos, con la que
sale. Si todo está correcto, estas deberían ser iguales y el interruptor permanece cerrado, permitiendo el
paso de la electricidad. Si, por ejemplo, entráramos en contacto con alguna parte de la instalación y
sufriéramos una descarga, la intensidad de salida sería menor, activando el interruptor que cortaría la
corriente.
Diga porque es importante realizar los cálculos de coordinación de protecciones cuando se realizan
diseños de instalaciones eléctricas.
R= Buscar la menor afectación del sistema eléctrico, cuidar la integridad de personas y equipos.
Investigue cual es la frecuencia de prueba para los interruptores diferenciales en estado activo.
R=Los interruptores diferenciales se caracterizan por poseer una alta sensibilidad, detectan diferencias
de corriente de orden de los mA y una rápida operación. Se adjunta imagen
Figura 4. Curvas de Diferenciales
MATERIALES:
●
●
●
●
●
●
Fuente de alimentación monográfica 120/240 V.
Cables de conexión.
Voltímetro
Amperímetro
Bombilla
Resistores
CONCLUSIONES:
En los elementos de protección como los interruptores, conductores eléctricos; según las cargas
conectadas se deben realizar cambios para las corrientes actuales que puedan soportar corrientes de
cortocircuito y sobrecarga, determinar además la longitud, la resistencia del cable conductor y uno de
los factores más importantes la caída de tensión.
Se verifican a través de software de simulación los comportamientos de los circuitos conectados en
serie, en paralelo y mixtos en términos de sus voltajes y corrientes.
El tipo de conexión a elegir a la hora de diseñar un circuito es de suma importancia, ya que cada uno de
los tipos de conexión modifica fuertemente el comportamiento de los elementos del circuito. Por lo
tanto, se debe tener muy en cuenta la aplicación que se le dará a este, y los valores de operación que
permiten dichos elementos.
Errores entre los valores esperados teóricamente y los calculados en la simulación se deben en su
mayoría a errores de truncamiento presentes en los métodos numéricos que aplica el simulador, por lo
que no se obtienen datos exactamente iguales.
BIBLIOGRAFÍA:
[1] CARLSON, A. B. Circuitos. ingeniería, conceptos y análisis de circuitos eléctricos lineales. [s. l.]:
International Thomson, 1995. ISBN 9706860339.
[2] Guías Técnicas de Prevención de NTP. Guía Técnica para Evaluación del Riesgo
Eléctrico. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo. Madrid.
[3] ROBBINS, A. H.; MILLER, W. C. Análisis de circuitos: teoría y práctica. 4.ed. [s.l.]: Cengage
Learning, 2008. ISBN 9706868283
[4] H.V. Stephandes y otros, “Modern Methods for the Reduction of the Operating Energy for SF
Circuit Breakers”.
CIGRE 13-12 1993.
[5] Interpretation of Circuit Breaker Operating Coil Signatures