Bobina Y Condensador En El Circuito De Corriente Continua 12673

Experimento: El condensador en el circuito de corriente continua En el experimento siguiente se debe analizar el proceso de carga de un condensador de 100 µF (curva de la tensión del condensador y corriente de carga). Monte el circuito experimental representado a continuación:

La siguiente animación ilustra el montaje experimental: Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua a través de la opción de menú Instrumentos | Fuentes de tensión | Fuente de tensión continua, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. En primer lugar, no conecte el instrumento.

Ajustes de la fuente de tensión continua Rango:

10 V

Tensión de salida:

10 V

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos | Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Ajustes del osciloscopio Canal A

5 V / div

Canal B

200 mV / div

Base de tiempo:

200 ms / div

Modo de operación: Trigger:

X/T, DC Canal A / flanco ascendente / SINGLE / pre-Trigger 25%

Aplique ahora un salto de tensión al condensador, conectando la fuente de tensión continua por medio de la tecla POWER. Arrastre el oscilograma obtenido hacia la

siguiente ventana. : 5

: 200

: 200

¿Cuál es la trayectoria de la curva de la tensión del condensador después de que se conecta la tensión continua? Salta inmediatamente a un valor de aproximadamente 10 V y se mantiene en este valor.

Asciende linealmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor. ¡Correcto! Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor.

Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a continuación, vuelve a descender a 0 V.

¿Cuál es la trayectoria de la curva de corriente de carga después de que se conecta la tensión continua? Durante todo el proceso de carga se mantiene constante.

En primer lugar, salta a un valor máximo y luego desciende linealmente hasta llegar a cero.

Asciende exponencialmente de cero a un valor máximo.

¡Correcto!

En primer lugar, salta a un valor máximo y, a continuación, desciende exponencialmente hasta llegar a cero.

¿Qué reacción ocasionaría una disminución de la resistencia de carga R13 en el valor máximo de la corriente de carga? Ninguna.

La corriente de carga disminuiría.

¡Correcto!

La corriente de carga ascendería.

Experimento: Condensador en el circuito de corriente continua II En el experimento siguiente se debe analizar la respuesta de almacenamiento de un condensador. Para ello se observará el proceso de descarga del condensador. Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la tarjeta de experimentación SO4203-6A:

La siguiente animación ilustra el montaje experimental: Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua a través de la opción de menú Instrumentos | Fuentes de tensión | Fuente de tensión continua, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER. Ajustes de la fuente de tensión continua Rango:

10 V

Tensión de salida:

10 V

Abra el instrumento virtual Voltímetro A través de la opción de menú Instrumentos | Instrumentos de medición | Voltímetro A, o también pulsando la siguiente imagen y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Conmute el voltímetro, preferentemente, a la representación vectorial.

Ajustes del voltímetro A Rango de medición:

20 V DC

Modo de operación:

AV

Separe el condensador de la tensión de alimentación retirando el cable del clavijero V43 y observe la tensión del condensador durante un tiempo prolongado. ¿Qué sucede con la tensión del condensador? Permanece constante.

Aumenta. ¡Correcto! Desciende paulatinamente hasta llegar a 0 V.

Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.

¿Cómo se puede explicar esta reacción? El condensador, una vez que se ha retirado la tensión de alimentación, representa una resistencia óhmica.

El condensador se descarga a través de la resistencia interna de la medición.

¡Correcto!

El condensador mantiene su tensión puesto que la carga no puede salir al exterior.

Vuelva a conectar la fuente de tensión continua para volver a cargar el condensador. Para analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medición (ANA), separe ahora la conexión con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al clavijero X43. A continuación, conecte

A+, sólo brevemente, para comprobar la tensión del condensador y mida la tensión en largos intervalos de tiempo. ¿Qué se puede observar en contraposición a la medición continua? No se observa ninguna diferencia con la medición continua.

La tensión desciende ahora más rápidamente.

La tensión desciende ahora más lentamente.

La tensión permanece ahora constante.

Experimento: La bobina en el circuito de corriente continua En el experimento siguiente se analizará el proceso de desconexión de una bobina. Para ello, en primer lugar, se cargará la bobina con una tensión continua de 5 V y, a continuación, se abrirá el circuito de corriente por medio de un relé. Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la tarjeta de experimentación SO4203-6A: Aquí se debe cablear el relé 1 de manera que el clavijero X48 de la tarjeta de experimentación, en estado de reposo, se encuentre conectado al relé con la salida S (ANALOG OUT) de la interfaz.

La siguiente animación ilustra el montaje experimental: Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua a través de la opción de menú Instrumentos | Fuentes de tensión | Fuente de tensión continua, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER. Ajustes de la fuente de tensión continua Rango:

10 V

Tensión de salida:

5V

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos | Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Ajustes del osciloscopio Canal A Base de tiempo: Modo de operación:

2 V / div 10 µs / div X/T, DC

Trigger:

Canal A / flanco ascendente / pre-trigger

Abra el de relés por medio de la opción de menú Instrumentos | Relé o pulsando la imagen que se encuentra a continuación.

Cortocircuite brevemente el relé 1 del para desconectar la bobina de la alimentación de tensión. Arrastre con el ratón el oscilograma obtenido en la siguiente ventana y vuelva a conectar el relé en la posición inicial. :

:

:

UB :

Acoplamiento:

¿Cuál es la trayectoria de la curva de tensión en la resistencia de descarga R2? Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V.

Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V.

¡Correcto!

Salta inmediatamente a 0 V.

Permanece constante.

Ahora, reemplace la resistencia de descarga R2 = 500  por la resistencia R3 = 1500  y repita el experimento. Lleve el oscilograma a la siguiente ventana. :

:

:

UB :

Acoplamiento:

¿Cómo varía la curva de tensión? No varía en lo absoluto.

La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una ligera pronunciación.

La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una pronunciación marcada. ¡Correcto! La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una ligera pronunciación.

La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una pronunciación marcada.

La tensión permanece constante.

Condensador en el circuito de corriente continua

Los condensadores son estructuras en las que se puede almacenar cargas eléctricas en reposo. En su estructura básica, un condensador consta de dos placas metálicas que representan los electrodos del condensador. Por medio del aislamiento de las cargas se forma una diferencia de potencial eléctrico (tensión) U entre los electrodos. La imagen siguiente muestra como ejemplo un condensador de placas, con la superficie A y la distancia entre placas d, que porta la carga Q. Debido al aislamiento de cargas se forma un campo eléctrico entre las placas (no representado en esta imagen).

Entre las placas, por lo general, se encuentra un material aislante, esto es, el elemento que se conoce como dieléctrico (no representado en la parte superior). Entre la carga y la tensión existe una relación lineal; es válida la siguiente relación

La magnitud C representa la capacidad del condensador, y se expresa con la unidad faradio (símbolo: F). Mientras mayor sea la capacidad de un condensador, se debe aplicar un volumen mayor de carga para generar una tensión determinada entre sus electrodos. Análogamente, podemos tomar como ejemplo una piscina, en donde la capacidad es la superficie de su fondo, la carga el volumen de agua de la piscina y la tensión la altura de llenado: Mientras más grande sea la superficie de la base (capacidad) de la piscina, se necesitará más agua (carga) para conseguir una determinada altura de llenado (tensión). La capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende únicamente de la estructura geométrica y del dieléctrico empleado. Para un condensador de placas es válida la siguiente relación:

En esta ecuación, 0 es la constante eléctrica de campo y posee un valor de 8.8542·10-12 AS/Vm, r es el índice dieléctrico (carente de unidad), A la superficie de una placa y d la distancia entre placas. Si un condensador se conecta a una tensión continua U0 a través de una resistencia de carga R, se carga debido a la presencia de dicha tensión, proceso durante el cual la tensión del condensador, de acuerdo con una función exponencial, aumenta de 0 V hasta alcanzar su valor final U 0 (100%) (curva de carga de un condensador, véase la imagen de la izquierda). Si, a continuación, se desconecta el condensador de la fuente de tensión y se lo cortocircuita, se produce un proceso de descarga inverso al proceso de carga (véase la imagen de la derecha).

Las corrientes de carga y de descarga fluyen aquí en sentidos contrarios. La velocidad de descarga del condensador depende de su capacidad y del valor de la

resistencia R y se caracteriza por medio de la constante de tiempo T = R·C . Una vez que ha transcurrido este tiempo, durante la carga, el condensador ha alcanzado el 63% de su valor de tensión o bien, durante la descarga, ha perdido el 63% de su tensión inicial. Si el condensador está completamente cargado, ya no fluye ninguna corriente de carga; por tanto, un condensador bloquea la corriente continua. Si después del proceso de carga del condensador se produce una desconexión de la fuente de tensión, sin que el circuito de corriente se cortocircuite, teóricamente, el condensador mantiene toda su carga y, con ello, su tensión por tiempo indefinido. Naturalmente, en la realidad, se produce siempre una cierta autodescarga. Se dispone de condensadores para diferentes fines de aplicación en una multiplicidad de diseños. Entre las más importantes formas de construcción se cuentan los condensadores de metal y papel, los de electrolitos, de tántalo, de láminas de plástico y los pequeños condensadores cerámicos.

La bobina en el circuito de corriente continua Inductancia de una bobina Junto al campo eléctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador cargado, existe en la electrotecnia un segundo tipo de campo en forma de campo magnético. Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente eléctrica.

Por medio de la conexión progresiva de algunos bucles de conductores se crea una bobina que, ante la presencia del flujo de corriente, se ve afectada por líneas de campo magnético. La intensidad del campo magnético se caracteriza por el flujo magnético. Si el campo magnético que atraviesa la bobina varía (por ejemplo, debido a una variación de la intensidad de corriente), en la bobina se produce el fenómeno denominado autoinducción, cuya magnitud depende, por una parte, de la velocidad de la variación pero también, por otra parte, del tamaño y la constitución de la bobina. La inductancia L de la bobina es, en este caso, un indicador de su capacidad para generar una tensión de autoinducción. Para una bobina alargada es válida la siguiente relación:

En esta ecuación, µ0 es la constante magnética de campo, µr la permeabilidad relativa del núcleo de la bobina, N el número de espiras, l la longitud de la bobina y A su sección transversal (véase la imagen siguiente).

La unidad de la inductancia es el henrio (símbolo H, 1 H = 1 Vs/A). Una bobina tiene una inductancia igual a 1 H si durante la modificación uniforme de la corriente que fluye por ella en 1 A por segundo, se induce una tensión de autoinducción igual a 1 V.

Conexión y desconexión de una bobina Si una bobina se encuentra en un circuito de corriente continua, la corriente que fluye por ella es constante - tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de conexión - de manera que no se genera ninguna tensión de autoinducción. La bobina actúa, por tanto, en este caso, como una resistencia óhmica, cuyo valor de resistencia (por lo general muy pequeño), resulta del valor de resistencia específico del material de la bobina al igual que de la longitud y sección transversal del alambre. Cuando se conecta una bobina, en primer lugar, se forma su campo magnético; debido a las modificaciones resultantes del flujo, se crea una tensión de autoinducción que actúa opuestamente a la tensión aplicada. De esta manera no asciende la intensidad de corriente abruptamente en el circuito eléctrico (como ocurriría con una carga resistiva), sino que la corriente asciende paulatinamente hasta alcanzar un determinado valor final. Si se desconecta la bobina, tiene lugar un proceso inverso: Al diluirse el campo magnético se origina una tensión de autoinducción, que tiene el mismo sentido que la tensión que se aplicaba anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnéticos puede adoptar valores más elevados. La tensión de autoinducción, en principio, mantiene

el flujo de corriente que atraviesa la bobina, de manera que la corriente no varía abruptamente sino que desciende paulatinamente hasta llegar a cero. La siguiente imagen ilustra los procesos que se producen durante la desconexión. En estado de conexión (imagen de la izquierda) la corriente I circula a través de la bobina L. Si se abre el circuito de corriente (imagen de la derecha) ocurre entonces lo siguiente: Debido a la energía del campo magnético formado, la bobina mantiene al principio la corriente. Dado que esta ya no puede fluir a través de la fuente de tensión, circula, tal como se representa en la imagen, a través de la resistencia RL paralela a la bobina. La energía del campo magnético se convierte aquí en energía térmica, por lo que la corriente desaparece abruptamente. Este proceso se realiza, al igual que en el condensador, de forma eléctrica, pero, en este caso, la constante de tiempo viene dada por el cuociente resultante de la inductancia y la resistencia óhmica.

Si no se dispone de una resistencia RL, se origina una cresta de tensión muy elevada que puede conducir fácilmente a la destrucción de componentes sensibles (por ejemplo, circuitos integrados) de un circuito. Por esta razón, en la práctica, las inductancias se conectan, la mayoría de las veces, a diodos de vía libre, los cuales cortocircuitan esta tensión en la bobina y, de esta manera, se encargan de que la energía misma de la bobina se convierta en energía térmica.