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CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR
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I. OBJETIVOS:
Medir el tiempo de carga y descarga de un condensador, con ayuda de un
osciloscopio.
Comparar el tiempo que demora en cargarse y/o descargarse un
condensador.
Estudiar el comportamiento de las graficas de la carga y descarga de un
condensador obtenido en un osciloscopio.
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II. FUNDAMENTO TEORICO:¿Qué es un condensador?
En electricidad y electrónica, un condensador o capacitor es un dispositivo que
está formado por un par de conductores, generalmente en forma de tablas, esferas o
láminas, separados por un material dieléctrico (utilizado para disminuir el campo
eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una
diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica.
A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad ocapacitancia . En el Sistema internacional de unidades se mide en Farads (F),
siendo 1 farad la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras
a una diferencia de potencial de 1 volt , éstas adquieren una carga eléctrica de 1
culombio.
El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente:
Donde:
C: Capacidad
Q: Carga eléctrica
V: Diferencia de potencial
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Tipos de condensador
Condensadores electrolíticos axiales Condensadores electrolíticos de tantalio
Condensadores de poliéster Condensadores cerámicos, "SMD
(Montaje superficial)" y de "disco"
Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas
paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad
eléctrica es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó
en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico,
funcionando bien a frecuencias elevadas.
Condensador de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada
para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas,
soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Estos
condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas,
pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.
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Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, reduce su higroscopia
y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos
de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Se utilizan dos cintas de papel
para evitar los poros que pueden presentar.
Condensadores autoregenerables. Los condensadores autoregenerables son
condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el
papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del
dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre
las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las
armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio querodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras.
Condensador electrolítico. El dieléctrico es una disolución electrolítica que ocupa
una cuba electrolítica. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa
aislante muy fina sobre la cuba, que actúa como una armadura y el electrolito como
la otra. Consigue capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad
determinada, por lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La
polarización inversa destruye el óxido, produciendo una corriente en el electrolito
que aumenta la temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador.
Existen de varios tipos:
Condensador de aluminio. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta
pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de
alimentación y equipos de audio.
Condensador de aluminio seco. Es una evolución del anterior, que funciona a
frecuencias más altas. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas.
Condensador de tantalio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores
que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación
capacidad/volumen, pero arden en caso de que se polaricen inversamente.
Condensador para corriente alterna. Está formado por dos condensadores
electrolíticos en serie, con sus terminales positivos interconectados.
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Condensador styroflex. Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en
radio, por responder bien en altas frecuencias y ser uno de los primeros tipos de
condensador de plástico.
Condensador cerámico. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico.
Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay
formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas
frecuencias, llegando hasta las microondas.
PROCESO DE CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR:
Conectamos el circuito RC a un generador de frecuencias, que ha sido configurada
con anterioridad para que nos proporcione una onda cuadrada como se observa en
la figura.
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Esta función de onda cuadrada se usada para cargar y descargar simultáneamente
un condensador. Una función de onda cuadrada se caracteriza por que genera unacorriente constante por un determinado tiempo, luego inmediatamente se invierte lapolaridad y permanece constante por ese determinado tiempo, y así completa unciclo, cargando y luego descargando el condensador al que será conectado.
Observamos en la figura que durante el primer semiperiodo de la señal la fem el
condensador se carga durante un tiempo T/2.
La carga q final del condensador en el instante t =T/2 se calcula a partir de la fórmula
)1(1 RC
t
eC q
En el instante t=T/2 el potencial en el condensador iguala a la fem, y el condensadorse descarga por completo. La carga del condensador en el instante t=T se calcula a
partir de la fórmula,
RC
T t
eqq
2/
12 .
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Proceso de carga.
Cuando el interruptor se cierra, la corriente I aumenta bruscamente a su valormáximo y tiene el valor de I = E / R amperios (en este instante el condensador estaen corto circuito), y poco a poco esta corriente va disminuyendo hasta tener un valorde cero.
El voltaje en el condensador no varía instantáneamente y sube desde 0 voltios
hasta E voltios (E es el valor de la fuente de corriente directa conectado en serie
con R y C).
El tiempo que se tarda el voltaje en el condensador (Vc) en pasar de 0 voltios hasta
el 63.2 % del voltaje de la fuente está dato por la fórmula:
C R.
Donde la resistencia R está en Ohms y C en milifarads y el resultado estará en
milisegundos. Después de 5 el voltaje ha subido hasta un 99.3 % de su valor final
Al valor de se le denomina constante de tiempo o tiempo de relajación.
Los valores deVc e Icen cualquier momento, se pueden obtener con las siguientes
fórmulas:
RC
t
Oc eV V
).( R
eV I
RC
t
O
)(
RC
t
O R eV V
)(
Donde Vo es el voltaje inicial del condensador
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Proceso de descarga.
Cuando el interruptor pasa de A a B, el voltaje en el condensador Vc empieza a
descender desde Vo (voltaje inicial en el condensador) hasta tener 0 voltios. La
corriente tendrá un valor máximo inicial de Vo/R y como la tensión disminuirá hasta
llegar a 0 amperios.
La corriente que pasa por la resistencia y el condensador es la misma. Acordarse
que en un circuito en serie la corriente es la misma por todos los elementos.
Los valores de Vc (tensión en el condensador) e I (corriente que pasa por R y C) en
cualquier instante se pueden obtener con las siguientes fórmulas:
RC
t
O
c eC
QV
.
RC
t
O e RC
Q I
RC
t
O R e
C
QV
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Laboratorio de
Física III
Conocimientos
previos
no Libros, manuales
internet
Revisión de
los equipos
Resultados
obtenidos
Toma de
datos
DIAGRAMA DE FLUJO DEL
EXPERIMENTO REALIZADO
Resumir
materiales y
procedimientos
Si hay fallas
cambiar
Desarrollo de
procedimientos
"Carga y descarga de un condensador en un circuito RC"
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IV. PROCEDIMIENTO:1. Poner en operación el osciloscopio y el generador de función.
2. Se usará la salida TTL del generador de función. Variar la frecuencia de la
onda cuadrada hasta obtener 250 Hz.
3. Conectar el generador de onda al canal 1 (conexión 12) del osciloscopio,
usando un cable con los terminales coaxiales.
4. El control 28 del osciloscopio debe estar en 0.5 ms/div ; el control 13 en 2 ó 5
V/div y el control 30 en posición “afuera”.
5. Verificar que un periodo completo de la onda cuadrada ocupa 8 dimensiones
horizontales y varíe la amplitud en el generador hasta que el voltaje de la onda
sea de 10 V.
6. Usando los elementos R1 y C1 de la caja de condensadores, establecer el
arreglo experimental de la figura.
7. Moviendo alternativamente el control 21 a CHA y CHB usted puede tener los
gráficos de VC vs. t y VR vs. t.
8. Recuerde que VC es proporcional a la carga del condensador y VR es
proporcional a la corriente en el circuito RC, así que lo que usted tiene en la
pantalla son en realidad gráficos de carga vs. tiempo y de corriente vs tiempo
como los mostrados en las figuras.9. Usando el control 13 y el control 11 logre que la curva VC vs t ocupe 5
cuadraditos verticalmente.
10.Usando el control 25 trate que el gráfico VC vs t permanezca estacionario.
11.Mida el tiempo t en el cual el voltaje a través del condensador va de 0 0.63
VO, en la curva de carga. (VO es el voltaje máximo que alcanza el
condensador). 12.Mida el tiempo en el cual el voltaje a través del condensador va de V 0 a 0.37
V0, en la curva de descarga del condensador. 13.Cambie el control 21 a CHB y observe la corriente en función del tiempo. 14.Mida el tiempo en que la corriente decae a 37% de su valor inicial. 15.Jale hacia afuera el control 16 y coloque el control 21 en posición ADD, se
observará la onda cuadrada. 16.Mida con un multímetro digital el valor en ohmios de la resistencia que ha
usado en el circuito RC. Usando el valor de t obtenido experimentalmente y la
relación t=RC determine el valor de la capacitancia. 17.Use la resistencia R1 y el condensador C2, y repita los pasos del 7 al 16. 18.Repita los pasos del 7 al 16 usando las combinaciones posibles de
resistencias y condensadores dados en la caja.
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19. Apague el osciloscopio y el generador por un momento y trate de resolver con
lápiz y papel el siguiente problema: En el circuito de la figura 7. (a)¿Cuál es la
corriente en el instante en que el interruptor se coloca en la posición 1?(b)¿Cuál es la corriente un instante muy posterior al instante en el que se hace
la conexión? (c) ¿Cuáles son los valores mínimo y máximo de corriente que se
obtienen al poner el interruptor S a la posición 2? (d) ¿Cuál es el máximo
voltaje a través del condensador? 20.Monte el circuito de la figura 8 y verifique experimentalmente sus respuestas al
problema planteado en 19. Use un valor de voltaje para la onda cuadrada de
10 V.
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V. CÁLCULOS Y RESULTADOS:Los resultados obtenidos en el laboratorio son los siguientes:
TABLA 1
N° R(Ω) τ(ms) C(µF)
R1 9,98 0,09 0,01
R2 6,83 0,06 0,01
R3 3,24 0,03 0,01
R1 9,98 0,27 0,03
R2 6,83 0,185 0,03
R3 3,24 0,092 0,03
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VI. OBSERVACIONES:
Al momento de graduar la frecuencia del generador de función de onda
cuadrada, tratar de aproximarse al valor descrito por el manual, o si no
apuntar la frecuencia real que se esté utilizando.
VII. RECOMENDACIONES:
Armar correctamente el circuito, ya que esto puede influenciar en los cálculos
del problema.
Establecer las escalas apropiadas para la frecuencia y el voltaje másconvenientes para que la grafica este en los márgenes de la pantalla delosciloscopio.
Cuadrar muy bien la grafica para poder tomar las medidas directamente de lapantalla del osciloscopio, y así obtener mediciones más exactas.
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VIII. CONCLUSIONES:
El tiempo que demora en cargarse o descargarse un condensador es muy
pequeño, se podría decir en fracciones de segundos. Esto es una
característica de los condensadores, que se pueden aplicar en la tecnología
moderna, como por ejemplo en el flash de las cámaras fotográficas.
Como podemos notar en las graficas, estas presentan una tendencia a una
expresión exponencial, ya que, crece muy rápido por pequeños intervalos de
tiempo. Esto lo podemos corroborar con las expresiones de dichas funciones
expuestas en el fundamento teórico.
Notamos que el tiempo de carga de un condensador, depende de las
condiciones al que se encuentra y también del material del que está hecho.
Podemos encontrar condensadores con diferentes tiempos de carga, peroestas diferencias son casi despreciables.
Luego de que el capacitor este totalmente cargado, todo el circuito funciona
como un circuito abierto, ya que la corriente es inversamente proporcional a
voltaje ente los terminales del capacitor.
El tiempo de carga de un condensador depende de la resistencia que está
incluida en el circuito, esto es, si la resistencia es muy grande el condensador
tardara más tiempo en cargarse que si la resistencia es pequeña.
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IX. BIBLIOGRAFIA:
Universidad Nacional de Ingeniería - Manual de Laboratorio de Física General
Francis W.Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman.
Física Universitaria - Volumen II, undécima edición Editorial Pearson de
México S.A., México 2004 -Págs. 947-953.
Serway Física – Volumen 2 Física. Cuarta edición Editorial Mc Graw Hill.