elementos de almacenamiento de electricos
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Elementos de Almacenamiento de ElectricosTRANSCRIPT
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA
PROFESOR: ARMANDO ANGEL
III SEMESTRE DE ELECTRONICA
SANTIAGO DE CALI
GUIAS DE LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II
UNIDAD UNO.
ELEMENTOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA.
INTRODUCCION
El almacenamiento de energía en los circuitos eléctricos es otro aspecto en el desarrollo de circuitos flexibles y útiles. En esta unidad 1, se describen las características de dos elementos de almacenamiento de energía son el condensador y el inductor. Los ingenieros eléctricos han venido usando ampliamente estos elementos durante de 100 años.
Podríamos decir el almacenamiento de energía es el funcionamiento de los circuitos eléctricos que es análogo al procesamiento de información en una libreta de apuntes o en un gaveteros de archivos. Como se verá, la energía puede recuperarse y usarse posteriormente para propósitos más complejos.
Al agregar inductores y condensadores al conocido resistor, sé esta en la posibilidad de construir eléctricos importantes y útiles. Puesto que estos circuitos suelen tener uno o más interruptores que abran o cierren en tiempos específicos, también se examinarán los efectos de cambio de posición sobre el comportamiento del circuito.
Analizar el comportamiento de los elementos de almacenamiento ante la corriente directa.
Aprender a realizar mediciones de voltaje y la corriente en los sistemas eléctricos conformados por elementos de almacenamiento.
Describir el concepto de los elementos de almacenamiento.
1.1. RECURSOS
1. Generadores de funciones 1. Fuente de energía DC y Transformador 506 o 509 1. Multimetro (analógico /Digital).
1.
1. OBJETIVOS1. OBJETIVOS
1.2. MATERIALES
1. Bobina de 1mH 2. Condensador de 1µF, 47F, 100 /20voltios 1. Resistencia de 470
1.3 HERRAMIENTAS
Proto board Pinzas planas Corta frío Caimanes (Conectores).
2. INFORMACION BASICA. El almacenamiento de energía eléctrica en dispositivos se ha venido practicando desde los tiempos de la botella de Leyden. Parte de la energía almacenada en estos dispositivos puede liberarse más tarde y suministro a una carga.
En 1746, Pieter van Mussechenbrock, profesor de física en Leyden, Holanda, almacenó carga en su botella con agua. Esa carga podría liberarse después, soltando una descarga o un choque. Había llegado la botella Leyden, el primer capacitor artificial, base de los primeros medios para almacenar carga eléctrica.
Se demostró que la carga almacenada era inversamente proporcional al espesor del vidrio y directamente proporcional al área superficial de los conductores. Durante algún tiempo se creyó que el vidrio era esencial, hasta que en 1762, se demostró que no era necesario, cuando se fabrico el primer de placas paralelas con dos grandes tableros cubiertos con hojas metálicas. Con el desarrollo del capacitor primitivo, Charles Agustín de Coulomb y otros investigaron al concepto de almacenamiento de carga, a medida que desarrollaban la primera teoría de la electricidad. El estudio de la electricidad se enfoco en la descripción cuantitativa con el trabajo de Coulomb, quien consiguió establecer las ideas de la electrónica.
Henry Cavendish demostró la ley del cuadrado inverso de la electrostática, entre 1772 y 1773, y llevó a cabo detallado mediciones de la capacitancia y conductividad. No obstante, no publicó sus hallazgos, que salieron a la luz sólo cuando Maxwell los publicó en 1879.
Muchos científicos se interesaron también en la teoría de la fuerza magnética. Hans Cristian Oersted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió el campo magnético asociado a una corriente eléctrica. Estableció el hecho fundamental de la aguja de una brújula sólo se afecta cuando fluía una corriente en las cercanías y no por la sola presencia de un voltaje o una carga.
Michael Faraday y Sir Humphry Davy repitieron los experimentos de Oersted 2.
en 1821 en la Britis Royal Institution. Los experimentos de Faraday con el magnetismo y la electricidad continuaron durante décadas. Construyó un anillo de hierro con dos bobinas devanadas en los lados opuestos.
El 29 de agosto de 1831, conectó un devanado a una batería y el otro a un galvanómetro y advirtió la naturaleza transitoria de la corriente inducida en el segundo devanado, que sólo ocurría cuando la corriente del primero se iniciaba o se detenía al conectar o desconectar la batería. Faraday dio cuenta de su trabajo a la Royal Society, el 24 de Noviembre de 1831 y lo publicó en 1832.
Durante el mismo periodo, el estadounidense Joseph Henry estaba investigando el electromagnetismo. Durante los años 1827 a 1831, Henry estudió los efectos del magnetismo con electroimanes. Aunque Faraday merece el crédito por el descubrimiento de la inducción electromagnética entre dos bobinas, fue Henry quien descubrió la autoinducción con una sola bobina.
2.1 EL CONDENSADOR.
Figura 1. Capacitor conectado a una fuente de energía.
Un capacitor es un elemento de dos terminales formados por dos placas conductores separados por un material no conductor. La carga eléctrica se almacena en las placas. Como se muestra en la figura 1, y el espacio entre las placas se llena con un material dieléctrico. El valor de la capacitancia es proporcional a la constante dieléctrica y el área superficial del material dieléctrico e inversamente proporcional a su espesor.
Para obtener mayor capacitancia es necesario una estructura muy delgada con un área grande. Para esta configuración, la capacitancia C, puede definirse como:
C = ε. A / dDonde la: ε: es la constante dieléctrica A: el área de las placas
d. el espacio entre placas.3.
Las placas +q y –q, son idénticas. El voltaje (V), de la batería que suministra la energía para mover la carga q, hasta placa positiva desde la otra placa. El capacitor se ha cargado al voltaje (V), que será proporcional a la carga q. Por lo tanto, se escribe:
1º Q = C.V 2º C= Q / V 3º V = Q / C
Donde C es la constante de proporcionalidad, denominada capacitancia. La unidad de capacitancia es el coulomb por voltio se llama Farad (F), al honor a Faraday.
Capacitancia es una medida de la proporcionalidad de un dispositivo de almacenar energía en forma de carga separadas o de un campo eléctrico.
2.1.1 UNIDAD DE CAPACITANCIA. Los condensadores que se utilizan en la practica, tienen valores de capacitancias del orden de millonésima de Farad o menos. Esto se debe a que los capacitores más comunes almacenan cargas del orden de microcoulombios o menos.
En consecuencia, las unidades de capacitancia más comunes son las siguientes:
1 microfarad = 1 µF = 1 X 10¯6 F 1 nanofarad = 1 nF = 1 X 10¯9 F 1 picofarad = 1 pF = 1 X 10¯ ¹² F
Ejemplo 1.
¿Cuánta carga puede almacenarse en un capacitor de 2µF, cuando se le aplica una diferencia de potencial de 50 voltios?.
R/ Q= CV = 2X10¯6 F x 50V = 100 Coulomb
Ejercicios 1.
1. ¿Cuánta carga puede almacenar en un capacitor de 40µF, con un voltaje de 50 V, a través de él?.
2. Una corriente constante de 2µA, carga a un condensador durante 20 segundos. ¿Cuál es la cantidad de carga almacenada en condensador después de este tiempo.
3. El voltaje a través del condensador cargado es de 20 voltios utilice el ejemplo 2. ¿Calcúlese el valor de la capacidad?.
4.
4. Una corriente constante de 5mA, carga a un condensador de 100µF durante un 1 segundo. ¿Cuál es el voltaje del capacitor después de este tiempo?.
5. ¿Cuál es el valor de la carga, en coulombios que se almacena en un condensador de 4µF y cargado a un voltaje de 100 voltios?.
6. Un condensador de 10µF, tiene almacenada una carga de 400µC : a)¿Cuál es el voltaje a través del capacitor?. B) ¿Cuál es el voltaje a través de un condensador de 8µF con la misma carga?.
2.1.2 NATURALEZA DE LA CAPACITANCIA.
Un capacitor tiene la propiedad de almacenar la cantidad de carga necesaria para proporcionar una diferencia de potencial igual al voltaje aplicado de carga. Si se aplica 100 voltios al capacitor, este se carga a 100 voltios.
El capacitor se carga hasta alcanzar el valor del voltaje aplicado, debido a que cuando el voltaje del capacitor es menor, adquiere una mayor cantidad de carga. En el preciso instante en el que el voltaje del capacitor es igual al voltaje aplicado, no fluye ninguna corriente de carga alguna.
Nótese que cualquier corriente de carga o descarga circula a lo largo de los alambres hasta las placas, pero no a lo largo del dieléctrico. 2.1.3 TABLA 1. CONSTANTE DIELECTRICA RELATIVA عr
En la tabla 1, se dan las constantes dieléctricas de algunos materiales. La constante dieléctrica es una propiedad que determina la energía almacenada por unidad de volumen por unidad de diferencia de voltaje a través de un capacitor.
La permitividad, que también se usa mucho, es sinónimo de la constante dieléctrica (Dorf, 1993). 8.85 x 10¯¹² en el sistema SI.
Donde A: es el área, en metros cuadrados en cualquiera de las placas. d: la distancia en metros entre las placas. K: es la constante dieléctrica o permitividad.
El factor 8.85 x 10¯¹² F esta el sistema SI, es la permeabilidad absoluta del aire.
5.
2.1.1 CONSTANTE DIELECTRICA
Figura 2. Constante dieléctrica.
La constante dieléctrica K, es una medida de capacidad que posee un aislador para concentrar el flujo eléctrico. El valor de esta constante es igual al cociente del flujo en el aislador entre el valor que el flujo tiene en el aire o en el vacío está constante tiene un valor de 1. Dichos valores aparecen en tabla 1.
Ejemplo 2.
Calcular el valor de la capacidad (C), para un capacitor formado por dos placas, cada una con una de 2 m², separadas por 1cm, o 10¯²m, con un dieléctrico de aire.RespuestaPasos a seguir para el desarrollo del ejemplo 1.
1. Se coloca la relación fundamental.2. Luego se reemplaza por los valores
A C = K x ------ x 8.85 x 10 ¯¹² F. d 2C = 1 x --------- x 8.85 x 10 ¯¹² F = 200 x 8.85 x 10¯¹² F = 1770 x 10¹²=1770pF 10¯² Ejercicios 2.
1. Un capacitor cargado a 100Voltios tiene una carga de 1000 microcoulombios. ¿Cuál en valor capacidad?. R:10µF
2. Dos capacitores, uno de mica y otro de cerámica tienen la misma dimensiones físicas. ¿Cuál de los dos capacitores tiene mayor capacitancia?. R/ cerámica. ¿Por qué?.
2.2 CLASIFICACION DE LOS CONDENSADORES.
Los condensadores se pueden clasificar en dos categorías:
Condensadores fijos. Condensadores variables.
Los condensadores fijos son aquellos que puede presentar únicamente un valor de la capacidad entre sus terminales. También se pueden clasificarse
6.
en varias categorías de acuerdo al material usado como dieléctrico que es muy importante conocer las características.
2.2.1 CONDENSADOR CERAMICO
Figura 3. Condensador cerámico tipo disco y su símbolo.
Están constituidos por un disco de material cerámico se desempeña como dieléctrico, actúa como un soporte cuya superficie interior y exterior están metalizados con placas y sobre ellas se sueldan los terminales. Todo este conjunto se recubre con un material aislante.
Son los más apropiados para ser usados en aquellos equipos o sistemas electrónicos que manejan altas frecuencias de operación. Se fabrican con capacidades comprendidas entre los 0.5pF y los 100nF.
2.2.2 CONDESADORES DE PELICULA PLA STICA.
Figura 4. Condensadores de película plástica.
Se fabrican con dos cintas muy finas de este material las cuales se encuentran metalizadas por una cara, dejando en el borde de cada una de ellas una banda sin cubrir, en lados opuestos. Dichas cintas, se enrollan en misma y cada uno de los terminales está unido a una de las cintas metalizadas.
Son usados principalmente en circuitos que manejan frecuencias bajas o medias y también condensadores de paso. En algunas ocasiones se utilizan en frecuencias altas, sin embargo presenta pérdidas con frecuencias superiores 1Mhz. Se fabrican con capacidades de relativamente altas y voltajes de operación de 1000 voltios. Estos pueden ser de poliestireno, propileno, policarbonato, estiroflex, milar, poliéster.
2.2.3. CONDENSADOR DE PAPEL
Figura 5. Condensador de papel.7.
Su dieléctrico es de papel parafinado y su capacidad esta comprendida entre los 100pF y 1µF.
2.2.4. CONDENSADOR DE MICA.
Figura 6. Condensador de mica.
Reciben de este nombre debido a que su dieléctrico es de mica. Son usados principalmente en aquellos circuitos donde se necesita una gran estabilidad y alto voltajes de operación, debido a que la mica es un material muy estable y un gran aislante. Se fabrican con capacidades comprendidas entre 1pF y 100nF. Todos los condensadores mencionados hasta ahora no son polarizados. Dentro de la gran variedad de condensadores fijos y existe un tipo especial el cual es polarizado, éstos son llamados condensadores electrolíticos.
2.2.5 CONDESADORES ELECTROLITICOS
Figura 7. Condensadores electrolítico y símbolo.
Esta formado por una fina banda de aluminio conectada al terminal positivo, recubierta por una capa de óxido de aluminio que se comporta como dieléctrico, sobre está se coloca una capa de papel humedecido en un líquido conductor llamado electrolito y finalmente otra capa de aluminio, la cual esta conectada al terminal negativo del condensador. Estas dos capas son enrolladas e introducidas en un tubo de aluminio el cual es cerrado herméticamente.
Son usados principalmente en circuitos de filtro, para desacoples en bajas frecuencias y condensadores de paso. Su comportamiento no es bueno para altas frecuencias. Se fabrican generalmente con capacidades superiores de 1µF sobre un cuerpo se encuentra claramente especificado su capacidad, su tolerancia, su temperatura, el voltaje máximo de operación y una indicación de su polaridad, es decir, un signo (+), lo es más frecuentemente un signo (-), justo al lado del terminal negativo.
2.2.6 CONDENSADOR ELECTROLITICO DE TANTALIO.
Figura 8. Condensador electrolitico de tantalio.8.
Su estructura interna es muy similar a los condensadores electrolíticos de aluminio, con la diferencia que en lugar de aluminio se usa una lámina de tantalio recubierto de una fina capa de óxido de tantalio amorfo, el cual tiene un mayor poder aislante que el óxido de aluminio; su electrolíto suele ser seco.
Son usados principalmente como condensadores de paso en circuitos de baja frecuencia y se fabrican generalmente en forma de gota, aunque también los hay tubulares y su principal ventaja es su tamaño reducido. También condensadores polarizados en sus terminales.
2.3 CONDENSADORES VARIABLES.
Figura 9. Condensador de variable y su símbolo.
Nos permite obtener valores de capacidad comprendidos entre valor máximo y un mínimo preestablecidos por el fabricante y son accionados por medios mecánicos.
En los condensadores variables sus láminas metálicas son móviles. La mitad de ellas están fijas y la otra mitad puede accionarse mediante un eje y hacer que entre las ranuras que separan las primeras variando así la superficie enfrentadas entre las placas. Dependiendo de su valor puede tener dos o más placas; son relativamente robustos debido a que deben soportar un gran numero de manipulaciones y su dieléctrico es por lo general el aire.
Son empleados principalmente en los circuitos de sintonía de los receptores de radio. Su capacidad puede variar entre 5pF y los 500pF, típicamente.
2.3.1 CONDENSADORES AJUSTABLES
Figura 10. Condensador ajustable.
Los dieléctricos empleados en los condensadores ajustables son mica, vidrio, aire, o cerámica. Se basan también en la variación de la superficie enfrentada entre las placas o la distancia que exista entre ellas. Son más frágiles que los ya que normalmente se ajusta al valor deseado y se fijan para que no se muevan de nuevo.
9.
Son usados por lo general para compensar o ajustar pequeñas diferencias en la calibración de los equipos y sistemas electrónicos. También son conocidos como trimmer y su capacidad son de muy pocos picofaradios. 2.3.2 CONDENSADOR VARACTORES O VARICAP.
Figura 11. Condensador varactores o varicap y símbolo.
Son condensadores variables, pero a diferencia de los mencionados, su capacidad no varia por medios mecánicos, sino en función de un voltaje externo aplicado a sus terminales. Puede proporcionar capacidades inferiores a los 0.4pF (usados en microondas), hasta superiores a los 2000pF(para alta frecuencias). Se usan principalmente en circuitos de sintonía de radio y televisión y circuitos multiplicadores de frecuencia.
¿Qué debemos tener en cuenta para seleccionar un condensador?. Debemos tener en cuenta las siguientes características:
La capacidad del condensador. La tolerancia. El voltaje de operación. El coeficiente de temperatura. El uso que se va a dar.
La capacidad es la posibilidad de acumulación de la carga eléctrica de un condensador cuando se le aplica un voltaje determinado. Depende del tamaño y la distancia entre las placas así como el material usado por el dieléctrico.
La tolerancia nos indica los valores máximo y mínimo que podrá tener la capacidad del condensador
El voltaje de operación es el voltaje máximo que puede soportar un condensador sin destruirse.
El coeficiente de temperatura nos indica la variación de la capacidad de un condensador con el aumento de la temperatura. Se expresa por lo general en ppm/ºC (partes por millón por grados centígrados), dependiendo de sí la capacidad si aumenta o disminuye o permanece constante con las variaciones de la temperatura. El uso que se le va a dar es decir todos los condensadores no responden de la misma forma a diferentes señales de entrada, esto depende del
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dieléctrico empleado en la fabricación. Tenga siempre presente este aspecto antes de decidirse por un tipo particular.
2.3.3 FORMA DE IDENTIFICACION DE LOS CONDENSADORES.
Los condensadores identificados con este tipo de codificación han sido fabricados en el Japón y la identificación de su capacidad está codificada de acuerdo a las normas industriales estándar del Japón, conocidas como códigos JIS (Japón Industrial Standard).
¿Qué significa las letras y números impresos sobre el condensador?.Esto significa lo siguiente:
El primer número y la primera letra se refieren al voltaje máximo de operación. Los tres números siguientes indican el valor de la capacidad en picofaradios. Los dos primeros números corresponden a las dos primeras cifras significativas de la capacidad. El tercero indica la cantidad de ceros que se deben agregar a la derecha. Para conocer la capacidad en microfaradios basta con dividir ese resultado en un millón.
Figura 12. Identificación de los condensadores cerámicos.
11.
Ejercicio 3.
Describir las principales características de los siguientes condensadores: 1.Tantalio:______________________________________________________________________________________________________________________2.Usos.
a.__________________________b.__________________________c.__________________________
3.Electrolitico:_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________4. Usos:
a._________________________b._________________________c._________________________
5.Ajustable:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________6. Usos:
a.________________________b.________________________c.________________________
7. Hallar el valor de los siguientes condensadores cerámicos:
Figura 13. Condensador cerámicos.
Figura A: 2E:__________________ Figura B: 2T:________________ 102:_________________ 473:________________ K:__________________ K_________________
2.4 FUNCIONAMIENTO DEL CONDENSADOR EN CORRIENTE CONTINUA.
Figura 14. Proceso de carga de un condensador12.
Para comprender el funcionamiento de un condensador en corriente continua (C.C), estudiaremos qué sucede cuando le conectamos una batería.
A continuación vamos observar lo que sucede en el condensador:
Mientras el condensador no esta conectado a ninguna fuente exterior es neutro, es decir, no tiene ninguna carga.
Al aplicar un voltaje de corriente continua (C.C), entre las placas del condensador, no existirá ningún paso de corriente a través del mismo, debido al presencia del dieléctrico (aislante).
Sin embargo, se produce una acumulación de cargas eléctricas entre las placas debido a que el terminal negativo de la batería repela los electrones libres hacia la placa (A), mientras el terminal positivo de la batería atrae los electrones libres hacia la placa (B), de modo tal que en la placa conectada al terminal negativo abra una acumulación de electrones y en la placa positiva abra una disminución de ellos.
El mismo ocurrirá en las caras del dieléctrico que se encuentra en contacto con las placas
El proceso de carga continúa hasta el voltaje en el condensador iguala el voltaje el voltaje de la batería, pues, el voltaje aplicado ya no es capaz de hacer que los electrones libres circulen por los conductores. Durante este proceso la corriente está circulando por todo el circuito, pero no por mucho tiempo, debido a que el proceso de carga es muy rápido.
2.4.1 DESCARGA DE UN CONDENSADOR.
Figura 15. La descarga de un condensador.
Si se suspende el suministro de corriente continua, la carga acumulada se mantiene debido a la fuerza de atracción eléctrica entre las placas cargadas. Para neutralizar la carga que existe en un condensador, es decir para descargarlo, sólo es necesario que exista una trayectoria de conducción entre las placas.
Por ejemplo si se ponen en cortocircuito los terminales del condensador se produce una corriente alta pero muy corta entre ellos, como se ve en la figura 15. De esta misma forma, podemos conectar entre las placas una resistencia de carga que puede ser un bombillo o un diodo led, se observaremos como se enciende y permanece en ese estado durante un corto tiempo.
13.
Ahora son evidentes algunas características importantes de un capacitor:
1. Si el voltaje en un capacitor no está cambiando con el tiempo, la corriente a través de él es cero. Por lo tanto, un capacitor se comporta como un circuito abierto para la componente en DC.
2. Puede almacenar una cantidad finita de energía, en una capacitor aun cuando la corriente a través de él sea cero, como por ejemplo, cuando el voltaje del capacitor es constante.
3. Un capacitor nunca disipa energía, sólo la almacena. Aunque esto es cierto para el modelo matemático, no lo es para el capacitor real.
2.4.2 CONEXIÓN DE CONDENSADORES.
Los condensadores se pueden conectar en serie y en paralelo
2.4.2.1 CONEXIÓN EN PARALELO
Los condensadores conectados en paralelo equivalen a sumar el área de las placas. Por consiguiente, la capacitancia total es la suma de todos las capacitancias. Como se indica en la siguiente figura 16.
Figura 16. Condensadores en paralelo. Por ejemplo 3.
El arreglo de condensadores en paralelo de la figura 16, tiene C1=C=1µF. ¿Hallar capacidad total?.CT = C1+ C2 CT= 1µfF+ 1µF = 2µF
Ejercicio 4.
1. ¿Cuál es el valor de Ct, para un arreglo de condensadores en paralelo de 0.01µF y 0.02µF?.
2. ¿Cuál debe ser el valor de una capacitancia (C), para que al conectarla en paralelo con otra de 100pF, el valor de la capacitancia total igual a 250pF?.
3. El arreglo formado por un capacitor de 10µF, en paralelo con uno de 250pF. ¿Cuál es la capacitancia total?.
14.
RELACIONCT=C1 + C2 + CN.....
2.4.2.2 CONEXIÓN EN SERIE DE CONDENSADORES
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Figura 17. Conexión de capacitancias en serie.
La conexión de capacitancia en serie, equivale aumentar el espesor del dieléctrico. En consecuencia, la capacitancia total tiene un valor menor que el correspondiente a la menor capacitancia en el arreglo. Todas las reglas que se emplean para ahorrar tiempo y cálculos, cuando se utiliza la formula reciproca. También se puede aplicar se puede aplicar a las capacitancias. .Ejemplo 4.
Hallar la capacitancia equivalente de dos capacidades iguales a un 10µF.R/ C1 x C2 10µF x 10µF 100 µF²CT = ---------------- = --------------------- = --------------- = 5µF C1 + C2 10µF + 10µF 20µF
Ejercicios 5.
1. ¿Cuál es valor de capacitancia total, para dos capacitancias de 0.2µF conectado en serie?.
2. Cuando se le aplica un voltaje de 100 voltios a través de los capacitores del anunciado anterior. ¿Cuál es el voltaje a través de cada capacitor?.
3. ¿Cuál es el valor de capacitancia total de dos condensadores de 100 y 50pF, conectados en serie?.
4. ¿Cuál es valor de la capacitancia total de tres condensadores de 100pF, 50µF y 0.4µF, conectados en serie?.
2.4.3. EFECTO DE LA CORRIENTE ALTERNA EN LOS CAPACITORES.
El hecho de que la corriente por el circuito de la figura 18, 19, al aplicarle una corriente alterna demuestra cuando el foco el foco se enciende a la
15.
RELACION 1 1 1 1 ---- = -----. + ---- + ---- +...
consecuencia de la carga y descarga del capacitor. No existe corriente alguna a lo largo del dieléctrico, ya sea éste un aislador.
Si embargo, mientras el voltaje creciente aplicado carga el condensador, la corriente de carga circula en una dirección que va de los conductores a las placas del capacitor. Mientras el capacitor se está descargando; situación que ocurre cuando la magnitud del voltaje aplicado disminuye, la corriente de descarga circula en dirección opuesta. Cuando se le aplica un voltaje alterno al capacitor se carga y descarga periódicamente.
Figura 18. El condensador ante la corriente altena.
En la figura 18, se tiene un capacitor de 10µF, proporciona la suficiente corriente alterna para mantener encendido con una luz brillante.
Figura 19. El condensador ante la corriente alterna.
En la figura 19, el capacitor es de un 1µF, tiene una corriente de carga y descarga menor a consecuencia de su menor capacitancia y la luz no es brillante. Por consiguiente, un capacitor de menor valor presentará una oposición mayor al paso de la corriente alterna, ya que la magnitud de ésta disminuye si se mantiene el mismo voltaje aplicado, en otras palabras la reactancia es mayor conforme la capacitancia es menor.
Figura 20. El condensador ante la corriente continua.16.
En la figura 20, el voltaje aplicado al condensador es dc, este se cargara al voltaje de la fuente dc, Debido a que el voltaje aplicado no cambia, el capacitor permanecerá cargado. Dado que la diferencia de potencial a través del condensador tiene una polaridad que se opone a la del voltaje aplicado, no circula corriente por el circuito. Por lo tanto el foco no enciende.
Es probablemente que el foco parpadee durante unos instantes mientras la corriente carga al condensador, pero esta desaparecerá cuando el capacitor este completamente cargado. En este momento el voltaje es máximo, pero la diferencia de potencial a través del foco es cero. Como resultado de lo anterior, se dice que el capacitor bloque la corriente en dc.
2.5 LAS BOBINAS O INDUCTORES
Las bobinas o inductores, son componentes pasivos conformados por varias vueltas de alambre enrolladas sobre un núcleo, el cual puede ser materiales y formas diferentes.
El uso de las bobinas es menos frecuente que el de los condensadores y se utilizan principalmente en circuitos de alta frecuencia o (RF). Cuando un conductor toma la forma de bobina, el campo magnético se concentra y hace más fuerte ya que se unen los campos magnéticos de cada vuelta o espira.
Según su construcción tipo de aplicación, algunas bobinas reciben el nombre de selenoides. Otras también se llaman choques debido a la utilización eliminar el ruido de la corriente alterna.
La bobina tiene la habilidad de oponerse a los cambios de la corriente, lo cual, se denomina inductancia, esto los explicaremos más adelante. La inductancia o autoinducción es el proceso mediante el cual una corriente variable a través de una bobina crea una fuerza contraelectromotriz, que se opone a cambios en la corriente.
En los circuitos de corriente continua, la cantidad de inductancia afecta al tiempo de los cambio en el flujo de corriente como reacción a los cambios en el voltaje del circuito.
2.5.1 ELECTROMAGNETISMO.
Siempre que una corriente pasa a través de un conductor se crea un campo magnético. El campo es el espacio alrededor del conductor donde se pueden detectar efectos magnéticos. La bobina activada tiene un polo sur y otro norte, su polaridad depende de la dirección del flujo de corriente. Cuando se invierte el flujo de corriente también se invierte la polaridad magnética de la bobina regla de mano izquierda para las bobinas.
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Todo campo magnético tiene polaridad y magnitud. La magnitud es un campo electromagnético, a la cual se llama fuerza de campo, se determina por tres factores interrelacionados:
1. Fuerza magnetomotríz.2. Intensidad de campo3. Densidad de flujo.
La fuerza magnetomotriz (FMM), se mide en amperios-vuelta, es el valor de la corriente (A), multiplicado por él numero de vueltas en la bobina. Una bobina tiene 100 espiras o vueltas y una corriente de un amperio tiene una fuerza magnetomotriz de 100 amperios-vueltas. Si los factores se mantienen constantes, al aumentar la corriente o él numero de vueltas se causará un aumento proporcional en la fuerza magnetomotriz.
La intensidad de campo se mide en amperios-vueltas por metros. La siguiente ecuación define la relación entre la intensidad del campo, la fuerza magnetomotriz y la longitud de la bobina. FMM
Intensidad = ----------------- Longitud.
Figura 18. Intensidad de campo
La figura 18, ilustra este concepto en forma gráfica el campo magnético se toma más concentrado a medida que se reduce la longitud de la bobina. La densidad de flujo se mide en términos del numero de líneas de flujo por unidad de superficie del campo magnético. Es una función de la intensidad del campo y de la permeabilidad del material de poder concentrar al flujo magnético.
Comparando la mayoría de materiales, el hierro tienen la permeabilidad relativamente alta. Muchas bobinas se fabrican con núcleos de hierro para concentrar el flujo y aumentar su fuerza de campo total.
La siguiente relación define la relación entre la densidad de flujo, permeabilidad e intensidad de campo:
Densidad de flujo = Permeabilidad x Intensidad de campo.
18.
2.5.2 INDUCTANCIA Y BOBINA
En términos de construcción física, la inductancia depende de la forma en que la bobina haya sido devanada observar lo siguientes factores:
1. El valor de (L), aumenta con él numero de vueltas (N), de la bobina. En realidad (L), aumenta en proporción directa con (N²). Al duplicar él numero de vueltas, manteniendo la misma área y longitud, la inductancia se incrementa cuatro veces.
2. Cuando aumenta el área (A), de cada vuelta, también se incrementa la inductancia (L). El anterior significa que una bobina donde las vueltas son más grandes tiene mayor inductancia. La inductancia (L), aumenta en proporción directa con el área y por lo tanto, con el cuadrado del diámetro de cada vuelta de la bobina.
3. La inductancia aumenta de acuerdo con la permeabilidad del núcleo. Par el núcleo de aire (µr), es igual a uno. Con un núcleo magnético (L), aumenta en factor (µr), conduce el flujo magnético se concentra en la bobina.
4. Si se mantiene el mismo numero de vueltas, la inductancia (L), disminuye con la longitud como consecuencia de una menor concentración del campo magnético.
La inductancia de puede calcular de la siguiente forma:
N² x A L = µr x ---------------- x 1.26 x 10¯6 H
lDonde l: esta dada metros A: en metro cuadrados.
µr: permeabilidad del aire (1.26 x 10¯6) 2.5.2 VALORES DE LA INDUCTANCIA
Las bobinas con núcleo de aire para aplicaciones de radio frecuencia (RF), tienen valores de inductancia es del orden milihenrys (mH), y microhenry (µH), donde se utiliza la siguiente terminología.
1mH = 1 x 10¯³ H1µH = 1 x 10 ¯6 H.
Por ejemplo, una bobina de radiofrecuencia para sintonizar estaciones de radio en banda de 535 hasta 1605KHz, puede tener una inductancia de 250µH. Los inductores de con núcleo de hierro para la línea de alimentación de 60Hz y frecuencias de audio tienen valores de inductancia de 1 a 25H.
2.5.3. TIPOS DE BOBINAS
La inductancia o bobinas utilizadas en electrónica pueden tener valores de 1µH hasta 40 o 50 Henrios. Según el tipo de núcleo las bobinas se clasifican en tres grupos principales:
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1. Las bobinas con núcleo de aire: son llamadas así aquellas que no tienen ningún núcleo en su interior. Tienen baja inductancia y se utilizan en circuitos donde se manejan señales de alta frecuencia, como los radios, televisores, equipos de comunicación.
Figura 19. Bobinas con núcleo de aire.
2. Las bobinas con núcleo de hierro: son usados cuando se requiere de un valor alto de inductancia, ya que estas obtienen un mayor efecto magnético que las de núcleo de aire. Los núcleos de hierro están formados por láminas delgadas en forma de E, y de I, con el fin de evitar pérdidas de energía en el proceso de inducción.
Figura 19. Bobinas con núcleo de hierro en forma de E.
3. Las bobinas con núcleo de ferrita: son ampliamente utilizadas actualmente en electrónica, ya que poseen una alta inductancia y tamaño reducido, son usadas en circuitos donde se requiere manejar altas frecuencias.
Figura 20. Bobinas con núcleo de ferrita.
2.5.3.1 FORMA DE NUCLEO.
De acuerdo a la forma del núcleo, las bobinas pueden ser rectas (lineales), o toroídales. Estas últimas son muy amplia utilización en la actualidad.
20.
Figura 21. Bobinas con núcleo toroidal.
2.5.4. INDUCTANCIA EN SERIE Y PARALELO.
La inductancia total de un grupo de bobinas conectadas en serie se obtiene mediante la suma de todas las inductancias (L). Dado que por todas las bobinas en serie la corriente es la misma, el voltaje total es la suma de las caídas del voltaje en cada una de ellas.
LT = L1 + L2 + L3 +....................
EJEMPLO 5.
L a inductancia L1=1mH, L2=5mH y L3=1H. ¿Cuál es el valor de LT?.
☺
Figura 22. Bobinas en serie.LT = L1 +L2+L3LT = 1mH + 5mH + 1000mH = 1600 mH.
2.5.4.1 INDUCTANCIA EN PARALELO.
Cuando la bobinas se conectan en paralelo, la inductancia total se calcula por la formula de los recíprocos.
1 1 1 1 ----- = -------- + ------- + --------
LT L1 L2 L3
21.
Relación para bobinas en serie:LT = L1 + L2 + L3
EJEMPLO 6.
Se tiene dos bobinas conectadas en paralelo L1=1mH y L2=3mH. ¿Cuál es valor de la inductancia equivalente?.
☺
Figura 23. Bobina en paralelo.
L1 x L2 1mH x 3 mH 3mH² LT = -------------- = ---------------------- = ----------- = 0.75mH. L1 + L2 1mH + 3mH 4mH
EJERCICIO 6.
1. Las inductancias L1 = 5 mH y L2 = 1H se conectan en serie. ¿Cuál es la inductancia total?.
2. Dos bobinas de 500µH y otra de 1mH, se encuentran en serie. ¿Cuál es la inductancia total?.
3. Con los valores de los problemas 1 y 2. Conectar las bobinas en paralelo. ¿Cuál es la inductancia total?.
4. Se tienen tres inductancias L1=2mh, L2=3mH y L3= 4H. Conectarlas de la siguiente forma:
a) L1, L2, L3 en serie. ¿Cuál es la inductancia total?.b) L1, L2, L3 en paralelo. ¿Cuál es la inductancia equivalente?.c) Formar un circuito mixto con L1 y L2 en paralelo en serie con L3. ¿Cuál es
la inductancia equivalente?.
2.5.4.2. EFECTO DE LA INDUCTANCIA EN LA CORRIENTE ALTERNA.
Figura 24. Foco con una fuente de alterna22.
Relación fundamental para bobinas en paralelo: 1 1 1 1 ----- = -------- + ------- + -------- LT L1 L2 L3
En la figura 24, donde no existe una inductancia alguna, la fuente de voltaje de corriente alterna proporciona una corriente alta para encender el foco con una brillante alta.
Figura 25. La bobina en corriente alterna.
La figura 25, se muestra una bobina en serie con un foco. Este valor de XL, es una medida de la reacción de la bobina al flujo de la corriente senoidal que genera un voltaje autoinducido con una polaridad que se opone al voltaje aplicado y que tiende a reducir la magnitud de la corriente.
La reactancia de la bobina limita la magnitud de la corriente alterna a un valor tan bajo que el foco no enciende.
Figura 26. La bobina ante la corriente continua.
La figura 26, la bobina también se encuentra en serie con el foco, pero el voltaje aplicado proporcionado por la batería produce un valor de corriente estable de corriente. Como no presenta variaciones en su valor, la bobina es incapaz de inducir voltaje y en consecuencia, no presenta reactancia.
Entonces, la magnitud de la corriente directa es prácticamente igual a la que circularía por el foco si esté estuviese conectado directamente a través de los terminales de la batería. La resistencia en corriente continua es la resistencia del alambre de la bobina.
2.6. AUTOEVALUACION.
Seleccione la respuesta correcta.
1. Cuando se duplica el numero vueltas, pero se mantiene constante tanto el área como la longitud, la inductancia:
23.
a) es la mismab) se duplicac) se cuadriplicad) disminuye a una cuarta parte.
2. Dos de 250 mH, cada una, están en serie y no tiene inductancia mutua, la inductancia total es:
e) 120 mHf) 250mHg) 350mHh) 500mH
3. Una bobina en circuito abierto tiene:
i) resistencia infinita e inductancia cero.j) Resistencia cero y alta inductancia.k) Resistencia infinita e inductancia normall) Resistencia e inductancia cero.
4. Un capacitor consta de:
m) dos conductores separados por un aislador.n) Dos aisladores separados por un conductor.o) Únicamente por conductores.p) Únicamente por aisladores.
5. Una capacitancia de 10µF, cargada a un voltaje de 10 V, tiene una carga almacenada de:
q) 10µCr) 100µCs) 200µCt) 1C.
6. La combinación de dos capacitancia de 0.02µF y 500V, en serie tiene una capacitancia y un voltaje de ruptura iguales a:
a) 0.01µF, 500Vb) 0.1µF, 500Vc) 0.02µF, 1000Vd) 0.04µF, 500V
24.
2.7 ACTIVIDADES A REALIZAR
eñor estudiante durante el proceso de enseñanza y aprendizaje debe seguir las siguientes instrucciones del texto y el profesor.s
ANIMO SEÑOR ESTUDIANTE!
Pasos a seguir:
1. Leer y seguir las instrucciones escritas del texto.2. Practicar la lectura comprensiva del texto.3. Debe tener claro el funcionamiento de los elementos que almacenan
energía 4. Debe consultar los mismos conceptos en otros textos.5. Debe tener claro el manejo y uso de los instrumentos de medición.6. Debe consultar los códigos para las bobinas y condensadores. 7. Resolver los ejercicios y evaluaciones propuestas al iniciar su trabajo de
laboratorio y entrégalos como preimforme tiene un valor del 40%.
2.7.1 ACTIVIDAD PARA DESARROLLAR
I. Observar la forma física y terminología de cada uno de condensadores entregados.
1. Determinar el valor de cada condensador que se le ha entregado y anote todos sus datos en la tabla 1.
Nombre del Condensador
CapacidadpF
Capacidad nF
Capacidad F
Voltaje de operación
Tolerancia
C1C2C3C4C5
II. Observar el proceso de carga y descarga de la capacitancia ante voltaje continuo.1. Armar el siguiente circuito:
Figura 27. Carga y descarga del condensador25
a) Alimentar el circuito con 12 VDC.b) Cierre el interruptor S1 y S2 abierto.c) Mida la corriente continua (IDC): _____ d) Observar la corriente de carga del condensador y medir el voltaje DC,
cuando se carga del condensador (VDC): _______e) Con el interruptor S2, cerrado y abra el interruptor S1, mida el voltaje del
condensador (VDC): _____f) Repita el procedimiento anterior para los condensadores 1F, 47F, 100F
III. El efecto del condensador ante la corriente alterna
Figura 28. El condensador ante la corriente alterna.
a) Alimentar el circuito con un de 10 Vp-p o (3.6 V AC).b) Mida la corriente alterna(IAC): _______c) Repita los pasos para cada uno de los condensadores de 1F, 47F,
100F.d) Observar que ocurre con la corriente en cada uno de ellos y la bombilla en
cada uno de los condensadores. ¿Explicar este fenómeno?.
IV. Conexión de condensadores en serie y paralelo.
Figura 29. Conexión de condensadores serie.
a) Alimentar el circuito con 12 VDC.b) Cierre el interruptor S2 y S1 abierto.c) Mida la corriente continua (IDC): _____d) Observar la corriente cuando se carga los condensadores y medir el
voltaje DC, en ellos. (VDC): _______e) Con el interruptor S1, cerrado y S2 abierto mida el voltaje en los
condensadores. (VDC): _____f) Repita el procedimiento anterior para los condensadores 1F, 47F, 100F
26.
Figura 30. Condensadores en paralelo.
a) Alimentar el circuito con 3.6 VAC. (10Vp-p).b) Cierre el interruptor S2 y S1 abierto.c) Mida la corriente continua (IAC): _____d) Observar la corriente cuando se carga los condensadores y medir el
voltaje AC, en ellos. (VAC): _______e) Con el interruptor S1, cerrado y S2 abierto mida el voltaje en los
condensadores. (VAC): _____f) Repita el procedimiento anterior para los condensadores 1F, 47F, 100Fg) Hacer los mismos pasos colocando los condensadores en serie.
V. Medición de la resistencia de los devanados de un transformador 506 o 509.La bobina ante el voltaje continuo.
Figura 31. Medición de la resistencia de los devanados del transformador.
a) Mida la resistencia del devanado primario: 6-7_________.b) Mida la resistencia del devanado secundario entre: los terminales 2-1-3: _________. 4-1-5: _________. 2-3:________ _ 4-5: _________
VI. Observar el efecto de la corriente de DC, en una bobina.
Figura 32. Efecto de la corriente dc, en una bobina.27.
a) Alimentar el circuito con 12 VDCb) Medir la resistencia de la bobina R1: _____________ c) Medir la corriente continua a través de la bobina: (IDC):________d) Calcular la resistencia total: ______________
1. Armar el siguiente circuito.
Figura 33. Circuito RC en corriente directa.
a) Aplicar un voltaje de 12 VDC.
b) Calcular y medir la corriente del circuito: ICalculado:______ I(Medido): _______c) Calcular y medir las caídas del voltaje en la resistencia y la bobina:
VR1:_______ VL1:_________d) Calcular la resistencia en DC de las bobinas (L), usando los valores de la
corriente y voltaje RL = EL / IT; RL=___________
VII. Observar el efecto de la bobina ante la corriente alterna.
1. Armar el siguiente circuito.
Figura 34. La bobina ante la corriente alterna.
a) Con el generador de funciones seleccionar un voltaje de 10Vp-p o 3.6 VAC, a una frecuencia de 1KHz.
b) Mida la corriente alterna(IAC): ______.c) Calcular la reactancia inductiva (XL): _________
28.
Figura 35. Circuito RC ante la corriente alterna.
a) Con el generador de funciones seleccionar un voltaje de 10Vp-p o 3.6 VAC, a una frecuencia de 1KHz.
b) Mida la corriente alterna(IAC): ______.c) Calcular la reactancia inductiva (XL): _________d) Mida los voltajes de la resistencia y la bobina(VR): ______ (VL): _______e) Calcular la reactancia de la bobina en AC: (RLAC): _________
2.8 INFORME
Los informes debe de tener:
a) Mediciones, cálculos y esquemas de los circuitos (25%)b) Síntesis (Análisis de los resultados de los circuitos) (25%)c) Resolver la evaluación(25%)d) Sacar las conclusiones. (25%).
2.9 Evaluación final.
1. Definir los términos de Inductancia y capacitancia.2. Compare los valores calculados y medidos de la corriente AC y DC.3. ¿Qué diferencia hay entre el valor calculado y medido de la resistencia de
la bobina entre AC y DC. ?.4. ¿Cuál tiene mayor flujo de corriente la bobina en DC y AC?.5. ¿Cuál es la diferencia hay en el condensador cuando se trabaja en DC y
AC?.6. ¿Qué diferencia existe entre un condensador electrolito y cerámico? 7. ¿Cuál es la relación para bobinas y condensadores en serie y en paralelo?.8. ¿Cuál son las unidades de los condensadores y bobinas?.
29.
