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Universidad Nacional de Ingeniera
Universidad Nacional de Ingeniera
Facultad de Ingeniera Mecnica
Laboratorio de Circuitos ElctricosInforme N 6:
RELACIONES ESCALARES Y COMPLEJASEN CIRCUITOS LINEALES AC
Curso
: Laboratorio de Circuitos Elctricos (ML121)
Profesor
: Arvalo RobinsonAlumnos
: Rojas Zavala, Csar
Castro Yauri, Franz
Martinez Adama, Ivn
Paucar Villanueva, ElmerSeccin
: C
2005-II. OBJETIVODeducir experimentalmente la variabilidad de las corrientes y cadas de tensin a travs de los elementos R L C, la aplicarle una seal sinusoidal.II. FUNDAMENTO TERICOSi un sistema lineal es excitado por una funcin peridica, la respuesta ser una funcin peridica con el mismo periodo. Supngase que la excitacin y la respuesta estn dadas respectivamente por las sinusoides:
v(t) = Vmcos (wt + ()........ (1)
i(t) = Imcos (wt + ().........
(2)
donde Vm e Im son los valores mximos de las funciones temporales sinusoidales de la frecuencia ( con ngulos de fases ( y (.Intensidad de corriente y tensin senoidales
Al aplicar las leyes de Kirchhoff a un circuito cualquiera de una malla el resultado es en general una ecuacin integrodiferencial. Los mtodos de resolucin clsicos de ecuaciones diferenciales proporcionan la solucin del problema elctrico. Ahora bien, la intensidad de corriente, que suele ser la incgnita, debida a una determinada tensin aplicada, viene dada por una suma de dos funciones. Una de ellas corresponde a la intensidad del rgimen transitorio que, normalmente se anula a las pocas fracciones de segundo, y la otra constituye la intensidad en rgimen permanente la cual perdura mientras existe la excitacin.
Intensidad de corriente senoidales
En la Tabla 1 aparecen las tensiones en bornes de los tres elementos R. L y c puros en el caso de que la corriente que circule por ellos sea de tipo seno o coseno.Tabla 1
Tensin en bornes de un elementos puro si la corriente es senoidal
Elemento Tensin si
i es general Tensin si
i = Im sen wtTension si
I = I, cos wt
Resistencia RVR = RiVR = RIm sen wtVR = RIm cos wt
Autoinduccin LVL = L
VL = wLIm cos wtVL = wLIm (-sen wt)
Capacidad CVc =
Vc =
Vc =
Tabla 2
Corriente en los elementos puros si la tensin es senoidal
Elemento Tensin si
v es general Tensin si
v = Vm sen wtTension si
V = V, cos wt
Resistencia RiR =
IR =
iR = cos wt
Autoinduccin LiL =
EMBED Equation.3 iL =
sen wt
Capacidad Cic =
ic = wCVm cos wtic = wCVm (-sen wt)
Tensiones senoidales
En la tabla 2 aparecen las intensidades de corriente por los tres elementos R. L y C puros en el caso de la que la tensin aplicada a cada uno de ellos sea de tipo seno o coseno.
Impedancia
La impedancia de un elemento aislado o de una rama de varios elementos o de un circuito completo es la relacin entre la tensin aplicada y la intensidad de corriente que circula.
si las tensiones e intensidades de corriente son senoidales esta relacin tiene un modulo y un argumento (ngulo).
ngulo de fase
Si tanto la tensin como la intensidad de corriente son funciones senoidales del tiempo y se representan grficamente con la misma escala de tiempos, aparece un desplazamiento relativo entre ambas magnitudes que solo es nulo en el caso de tratarse de un elemento resistivo puro. Dicho desplazamiento es el ngulo de fase y nunca puede ser superior a /2 radianes. Por convenio al hablar del ngulo de fase se considera el que forma la intensidad de corriente i con la tensin V. En un condensador, por ejemplo i adelanta /2 radiantes a v: en un circuito serie RL, con R igual a wL ,V adelanta /4 a i (o bien o esta retrasada /4 respecto de V): en una resistencia pura i esta en fase con V: etc. Las representaciones de las figuras siguientes aclaran los conceptos de impedancia y ngulo de fase.
Resistencia R
En un elemento resistivo puro la intensidad de corriente y la tensin estn en fase. El modulo de la impedancia es R.
Autoinduccin LEn una bobina pura la intensidad de corriente se retrasa /2 respecto de la tensin. El mdulo de la impedancia es wL.
Capacidad C
En un condensador puro, la intensidad de corriente adelante /2 a la tensin. El mdulo de la impedancia es
Circuito RL
La intensidad de corriente se retrasa respecto de la tensin un ngulo igual a arc tg (wL L/R). El mdulo de la impedancia es .
Circuito serie RCLa intensidad de corriente adelanta a la tensin en un ngulo igual a arc . El mdulo de la impedancia es
Circuitos serie y paralelo
En un circuito cuyos elementos (impedancias) estn conectados en serie es igual a la suma de las cadas de tensin en dichos elementos individuales.
En un circuito cuyos elementos (impedancias) estn conectados en paralelo la intensidad de corriente total es igual a la suma de las intensidades que circulan por cada uno de dichos elementos individuales.
Impedancia compleja y notacin fasorial
El anlisis de circuitos en rgimen permanente senoidal tiene una gran importancia no solo porque las tensiones que suministran los generadores son, muy aproximadamente, funciones senoidales del tiempo sino porque cualquier forma de onda peridica se puede sustituir por un trmino constante y la serie de trminos de senos y csenos.
Impedancia compleja
Consideremos al circuito serie RL de la figura 6 al que se le aplica una tensin v(t) = vmr/wt. Segn la formula de Euler, esta ecuacin se descompone en un termino es seno y otro en coseno. Vm coswr + jVm sen wt. Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla o lazo tendremos.
La ecuacin diferencial lineal es de primer orden y su solucin particular es de forma i(t) = Kejwt. Sustituyendo esta funcin la corriente resulta.
Donde: K = e i(t) = . La relacin entre las funciones de tensin e intensidad de corriente pone de manifiesto que la impedancia es un numero complejo cuya parte real es el valor de R y cuya parte imaginaria es wL:
Consideramos ahora un circuito serie RC con la misma tensin aplicada Vmejwt. En este caso.
Haciendo:i(t) = Kejwt y sustituyendo en (l) resulta.
de donde
Una vez mas observamos como la impedancia es un numero complejo cuya parte real es el valor de y cuya parte imaginaria es, en este caso 1/wC.
Todo esto indica que los elementos de un circuito se pueden expresar mediante su impedancia compleja Z.
Ahora bien como la impedancia es un nmero complejo se podr representar por un punto en el plano complejo. Adems como la resistencia ohmica no puede ser negativa solo se precisan el primero y el cuarto cuadrante. La representacin grfica correspondiente se llama diagrama de impedancias.
La resistencia R corresponde a un punto sobre el eje positivo. Una inductancia o reactancia inductiva XL se representar por un punto del eje imaginario positivo. Mientras que una capacitancia o reactancia capacitiva Xc estar representada por un punto sobre el eje imaginario negativo. En general una impedancia compleja Z se encontrar sobre el primero o el cuarto cuadrante. Segn los elementos que integren el circuito. El argumento de la forma polar de Z esta comprendido, segn lo dicho entre
Notacin fasorial
Consideremos la funcin f(t) = r ejwt. Representa un numero complejo que depende del tiempo t. Sin embargo, su modulo es constante e igual a r. Haciendo una representacin grafica en los instantes t = 0, como se pone de manifiesto la naturaleza de la citada funcin.
En efecto, para w constante el segmento gira en sentido contrario al de las agujas del reloj con velocidad angular constante. Si observamos las proyecciones de este segmentos giratorio sobre los ejes real e imaginario. Veremos que coinciden con los csenos y seno, respectivamente de ejwt dados por la formula de Euler.
Anteriormente vimos que por un circuito serie RL al que se aplica una tensin v = Vm sen wt voltios circula una corriente, i = Im sen (wt - () amperes, que esta retrasada un ngulo 0 respecto de la tensin, siendo ( = arc tg (wL/R). Este ngulo de fase depende de las constantes del circuito de la frecuencia de la tensin aplicada, pero nunca puede ser mayor de /2 radianes. Adems por el sentido de giro se deduce que la corriente esta retrasada respecto de la tensin un ngulo (.
Las proyecciones del segmento giratorio sobre el eje imaginario son exactamente las funciones representadas. Estos se deduce de la formula de Euler ya que la parte imaginaria de la funcin exponencial es la funcin seno.
Consideramos una funcin de tensin general r= Vmej(wt+2) siendo la fase inicial de la misma es decir en el instante inicial t = 0,. Apliquemos esta tensin a un circuito de impedancia Z = ej (-/2 < < /2). En estas condiciones la intensidad de corriente viene dada por:
es decir.
Esta ecuacin pertenece al dominio del tiempo, ya que este aparece explcitamente en las expresiones de la corriente y de la tensin. A continuacin vamos a hacer dos cambios en dichas ecuacin para representar los fasores. En primer lugar, multipliquemos la igualdad por e-jwt para eliminar el tiempo despus multipliqumosla por para obtener los valores eficaces de corriente y tensin.
La ecuacin (2) es la transformada de la anterior al dominio de la frecuencia. En ella no aparece el tiempo. Sin embargo la variacin con el tiempo de la ecuacin (l) esta bien clara. En la expresin (3) los smbolos V e I sin subndices indican los valores eficaces de la tensin e intensidad de corriente respectivamente. La expresin (4) relacionada. Pues las magnitudes complejas U V y Z y como tales deben considerarse esto es con mdulo y su argumento. Estas ultima formula es el equivalente fasorial de la ley de Ohm que a veces se llama compleja o forma vectorial de la ley de Ohm.III. ELEMENTOS A UTILIZARa. 1 fuente AC 220 V 5 amperios (autotransformador)b. 1 resistencia de 320 ohms 1.5 amperios
c. 1 resistencia de 50 ohms 3 amperios
d. 1 caja de condensadores
e. 1 pinza amperimtrica
f. 1 multmetro digital (cada voltmetro)
g. 1 multmetro digital con microampermetro
h. 1 bobina de 112.86 mhIV. PROCEDIMIENTOMedir las resistencias, capacitancias e inductancias de los elementos que se utilizan en la experiencia.Inductancia de la bobina0.11286 hr
Resistencia terica13.2 ohms
Resistencia real12.7 ohms
Circuitos empleados:Caso I
Caso II
Caso III
En cada uno de los casos se debe medir el voltaje de cada uno de los elementos R, L, C y la corriente que se absorbe en cada uno de los arreglos ya moatrados V. CUESTIONARIO1. Sobre un par de ejes coordenados graficar en funcin de R (caso 1) y C (caso 2 y 3) las lecturas de V1, V2, V3 y A tomadas en la experiencia.
Caso1
Caso 2
Caso 3
2.Graficar en cada caso el lugar geomtrico de la impedancia del circuito (Z), en el plano R-X
De los datos obtenidos en la experiencia podemos calcular las respectivas reactancias de los circuitos las cuales se muestran a continuacin junto a su respectiva grfica:
Circuito 1
R (W)X (W)
20042.5
179.242.5
167.8642.5
163.1642.5
15542.5
142.1942.5
129.0842.5
118.0642.5
116.3342.5
101.4142.5
Circuito 2
R (W)X (W)
48 88.42
48106.10
48265.25
48 48.23
48 78.02
48 66.31
48 70.73
48 91.47
48102.02
48 79.18
Circuito 3R (W)X (W)
150.247.73
150.264.91
150.2223.09
150.2147.51
150.2109.82
150.227.18
150.235.76
150.214.37
150.241.24
150.260.92
3. Graficar el lugar geomtrico del fasor corriente para los tres casos, tomando como referencia el fasor tensin (V), en el mismo diagrama graficar el lugar geomtrico de los fasores V1, V2, V3.
Circuito 1
Circuito 2
Circuito 3
Lugar Geomtrico de las tensiones
Circuito 1
Circuito 2
VI. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONESObservaciones
En el circuito RL se observ que a medida que se aumentaba la resistencia el voltaje en la bobina disminua y el voltaje en la resistencia aumentaba (tanto el aumento como descenso del voltaje se dieron con una marcada tendencia parablica) y la corriente del circuito disminua.
Para el caso del circuito RC se observ que el voltaje en la resistencia aumenta (con tendencia lineal) a medida que se aumenta la capacitancia mientras que el voltaje a travs del capacitor disminuye gradualmente y la corriente aumentaba con una tendencia lineal.
En el caso del circuito RLC se observ que ha medida que se aumentaba la capacitancia el voltaje a travs de la resistencia y la bobina aumentaba y disminua respectivamente mientras que el voltaje a travs del capacitor aumentaba de una forma lenta.
Conclusiones
Se puede concluir que las resistencias y las reactancias inductivas y capacitivas son elementos lineales que cumplen con la ley de Ohm, verificndose esto en los incrementos o disminuciones de corriente y voltaje respectivos.
En el caso de tensin alterna, las relaciones ya no son tan simples, debido a que si utilizamos los valores como en continua no se cumpliran las leyes de Kirchhoff, sin embargo stas s se cumplen si utilizamos los valores complejos (fasores).
Los lugares geomtricos y los diagramas fasoriales nos ayudan a predecir el comportamiento de los elementos de los circuitos, as como las fases (importantes para determinar el fdp). Tambin nos ayudan a determinar los puntos de resonancia.
PAGE 1
_1030886475.unknown
_1030891118.unknown
_1185645277.dwg
_1185648138.xlsGrfico4
11210
8212
17212
25212
11200
98188
86194
34200
54205
V Capacitancias
V Resistencias
Capacitancias
Voltaje
Hoja1
ResistenciaVoltaje BobinaResistenciaVoltaje ResistenciaResistenciaCorriente
101.413686101.4186101.410.848
116.333289116.3389116.330.765
118.063085118.0685118.060.72
129.082887129.0887129.080.674
142.192791142.1991142.190.64
1552593155931550.6
163.162493163.1693163.160.57
167.862494167.8694167.860.56
179.22395179.295179.20.53
2002096200962000.48
Capacitancia microVoltaje V1Capacitancia microVoltaje V2Capacitancia microCorrientes
3.5112103.52103.50.24
28212221220.14
417212421240.38
7.5252127.52127.50.56
3.3112003.32003.30.24
309818830188302.09
258619425194251.82
103420010200100.73
155420515205151.16
Capacitancia microVoltaje V1
5
2
1
0.469
0.661
0.317
0.223
3.3
0.1
3.5
Hoja1
V Capacitancias
V Resistencias
Capacitancias
Voltaje
Hoja2
Hoja2
3686
3289
3085
2887
2791
2593
2493
2494
2395
2096
Resistencia
Voltajes
Hoja3
0.848
0.765
0.72
0.674
0.64
0.6
0.57
0.56
0.53
0.48
Corriente
Resistencia
Corrientes
11
8
17
25
11
98
86
34
54
Voltaje V1
Capacitancia (microfaradio)
V1 (v)
210
212
212
212
200
188
194
200
205
Voltaje V2
Capacitancia (microfaradio)
V2 (v)
0.24
0.14
0.38
0.56
0.24
2.09
1.82
0.73
1.16
Corrientes
Capacitancia (microfaradio)
Corriente (A)
_1185649058.xlsGrfico6
200
83
40
17
25
11
7
135
2
134
capacitancia (microf)
Corriente (mA)
Hoja1
ResistenciaVoltaje BobinaResistenciaVoltaje ResistenciaResistenciaCorriente
101.413686101.4186101.410.848
116.333289116.3389116.330.765
118.063085118.0685118.060.72
129.082887129.0887129.080.674
142.192791142.1991142.190.64
1552593155931550.6
163.162493163.1693163.160.57
167.862494167.8694167.860.56
179.22395179.295179.20.53
2002096200962000.48
Capacitancia microVoltaje V1Capacitancia microVoltaje V2Capacitancia microCorrientes
3.5112103.52103.50.24
28212221220.14
417212421240.38
7.5252127.52127.50.56
3.3112003.32003.30.24
309818830188302.09
258619425194251.82
103420010200100.73
155420515205151.16
Capacitancia microVoltaje V1 5200
55110445283
221.411068.6140
110.4109.6800.46917
0.4694.6108.586.90.66125
0.6616.610984.40.31711
0.3173109.287.80.2237
0.2232108.289.83.3135
3.334.4108.557.10.12
0.10.9107.591.63.5134
3.534.410659.6
Hoja1
capacitancia (microf)
Corriente (mA)
Hoja2
Hoja2
3686
3289
3085
2887
2791
2593
2493
2494
2395
2096
Resistencia
Voltajes
Hoja3
0.848
0.765
0.72
0.674
0.64
0.6
0.57
0.56
0.53
0.48
Corriente
Resistencia
Corrientes
11
8
17
25
11
98
86
34
54
Voltaje V1
Capacitancia (microfaradio)
V1 (v)
210
212
212
212
200
188
194
200
205
Voltaje V2
Capacitancia (microfaradio)
V2 (v)
0.24
0.14
0.38
0.56
0.24
2.09
1.82
0.73
1.16
Corrientes
Capacitancia (microfaradio)
Corriente (A)
_1185650580.dwg
_1185650937.xlsGrfico1
160.547.9
151.863.13
144.372.7
132.287.6
124.997.3
115.3106.6
107.4114.5
92.7126.5
81.3135.6
R
Grfico2
0.1
1.4
1.6
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
R
I
Grfico3
27.5
23.38
8.78
49
32.14
35.94
33.9
27.8
24.23
30.79
C
Grfico4
203
203.6
204.5
198
202.2
201.6
201.8
202.7
203
201.9
C
V2
Grfico5
2.2
1.8
0.7
4
2.6
2.9
2.7
2.2
1.9
2.5
C
I
Grfico6
178.553.21107.4
173.852122.6
106.332198.3
141.542.41172.6
151.745.36160.3
184.655.183.9
183.454.693.8
187.755.860.83
182.754.2899.7
176.852.65119.9
C
Grfico7
1.1
1.1
0.7
0.9
0.9
1.1
1.1
1.2
1.1
1.1
C
I
Grfico10
48
48
48
48
48
48
48
48
48
48
X (W)
R (W)
Hoja1
0.11286
VV1V2IRx
180160.547.90.1148.2161.444.55
180151.863.131.4105.9119.144.55
180144.372.71.688.1101.344.55
180132.287.61.966.88044.55
180124.997.32.157.170.344.55
180115.3106.62.346.659.844.55
180107.4114.52.54053.244.55
18092.7126.52.730.743.944.55
18081.3135.62.924.437.644.55
CAV1V2X
302.227.520348.0088.42
251.823.38203.648.00106.10
100.78.78204.548.00265.25
5544919848.0048.23
342.632.14202.248.0078.02
402.935.94201.648.0066.31
37.52.733.9201.848.0070.73
292.227.8202.748.0091.47
261.924.2320348.00102.02
33.52.530.79201.948.0079.18
CAV1V2V3X
301.1178.553.21107.445.87
251.1173.852122.663.55
100.7106.332198.3222.70
140.9141.542.41172.6146.92
17.50.9151.745.36160.3109.02
401.1184.655.183.923.76
351.1183.454.693.833.24
551.2187.755.860.835.68
32.51.1182.754.2899.739.07
261.1176.852.65119.959.47
Hoja2
Rang
148.214.77
105.919.66
88.122.78
66.828.00
57.131.18
46.635.43
4038.65
30.744.10
24.448.53
Grfico9
161.4
119.1
101.3
80
70.3
59.8
53.2
43.9
37.6
Hoja3
_1185650392.xlsGrfico1
160.547.9
151.863.13
144.372.7
132.287.6
124.997.3
115.3106.6
107.4114.5
92.7126.5
81.3135.6
R
Grfico2
0.1
1.4
1.6
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
R
I
Grfico3
27.5
23.38
8.78
49
32.14
35.94
33.9
27.8
24.23
30.79
C
Grfico4
203
203.6
204.5
198
202.2
201.6
201.8
202.7
203
201.9
C
V2
Grfico5
2.2
1.8
0.7
4
2.6
2.9
2.7
2.2
1.9
2.5
C
I
Grfico6
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C
Grfico7
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1.1
0.7
0.9
0.9
1.1
1.1
1.2
1.1
1.1
C
I
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Hoja2
Rang
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Grfico9
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X (W)
R (W)
Hoja3
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Hoja1
VR
Vc
VL
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Hoja2
Hoja2
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3289
3085
2887
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2494
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2096
Resistencia
Voltajes
Hoja3
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Corriente
Resistencia
Corrientes
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8
17
25
11
98
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34
54
Voltaje V1
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V1 (v)
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212
212
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200
205
Voltaje V2
Capacitancia (microfaradio)
V2 (v)
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0.14
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1.16
Corrientes
Capacitancia (microfaradio)
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3289
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2593
2493
2494
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Hoja1
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00
00
00
00
00
00
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V resistencia
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Voltajes
Hoja2
Hoja2
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2791
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Resistencia
Voltajes
Hoja3
0.848
0.765
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0.674
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0.57
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Corriente
Resistencia
Corrientes
11
8
17
25
11
98
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34
54
Voltaje V1
Capacitancia (microfaradio)
V1 (v)
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212
212
212
200
188
194
200
205
Voltaje V2
Capacitancia (microfaradio)
V2 (v)
0.24
0.14
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0.24
2.09
1.82
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Corrientes
Capacitancia (microfaradio)
Corriente (A)
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155415205151.16
Capacitancia microVoltaje V1
5
2
1
0.469
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3.5
Hoja1
Corriente de caso I
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Corriente (A)
Hoja2
Hoja2
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3289
3085
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2395
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Corriente
Resistencia
Corrientes
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8
17
25
11
98
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34
54
Voltaje V1
Capacitancia (microfaradio)
V1 (v)
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212
212
212
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188
194
200
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Voltaje V2
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203
201.9
C
V2
Grfico5
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2.5
C
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Grfico11
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150.2
150.2
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150.2
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R (W)
Hoja1
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CAV1V2V3XXT
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Hoja2
Rang
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Grfico9
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Hoja3