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D3000 Circuitos de CA - 1

Manual de Laboratorio ME934-ES/J

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Módulo de Lección: 88.12/1

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Acerca de este módulo Acerca de este módulo

En este módulo de Circuitos de CA-1 se presentan circuitos que funcionan a partir de una fuente de corriente alterna (CA). Conocerás las propiedades de la reactancia y la impedancia, así como las propiedades de los filtros de los circuitos reactivos. Analizarás circuitos en serie y en paralelo e investigarás el funcionamiento de un transformador de audio-frecuencia. Realizarás los ejercicios prácticos de este manual de laboratorio utilizando el tablero de circuitos de los Circuitos de CA-1. En la siguiente página aparece una imagen de dicho tablero. El tablero de circuitos está diseñado para adaptarse a la unidad base Digiac 3000. La unidad base permite introducir fallas automáticamente en el tablero de circuitos durante las actividades de localización de fallas. Los circuitos se construyen utilizando conectores de corto circuito y cables de conexión, que se suministran con el Juego de Accesorios provisto con tu unidad base 3000. Se requiere de equipo de prueba para llevar a cabo los ejercicios prácticos y las actividades de localización de fallas. En la primera página de cada capítulo de este manual encontrarás una lista del equipo de prueba requerido para ese capítulo. Si es la primera vez que utilizas el sistema Digiac 3000, es importante que leas la introducción a este manual, en él se proporciona la siguiente información:

• Lo que necesitas saber acerca de la unidad base Digiac 3000. • El equipo de prueba requerido para este módulo y cómo conectarlo. • Cuando apagar las fuentes de alimentación del módulo. • Conexión y desconexión de los circuitos. • Cómo llevar a cabo las actividades de localización de fallas. • Cómo utilizar este manual en tu estación de trabajo del estudiante.

Circuitos de CA – 1 D3000 Acerca de este módulo Manual de Laboratorio

Figura 1. Tablero de circuitos de Circuitos de CA-1

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Contenido

Capítulo Contenido Página

Introducción .................................................................................................. 1 - 6 Capítulo 1 Ondas alternas de forma senoidal ............................................................... 7 - 18 Capítulo 2 Alimentación alterna con carga pura resistiva ......................................... 19 - 36 Capítulo 3 Capacitancia e inductancia alimentadas por ondas cuadradas y senoidales ................................................................... 37 - 50 Capítulo 4 Alimentación de CA con carga exclusivamente capacitiva ..................... 51 - 70 Capítulo 5 Alimentación de CA con carga puramente inductiva ............................... 71 - 92 Capítulo 6 Circuitos de resistencia y de capacitancia con fuentes de CA ............... 93 - 106 Capítulo 7 Circuitos de resistencia-inductancia con fuentes de CA ...................... 107 - 124 Capítulo 8 Circuitos de resistencia-inductancia-capacitancia con fuentes de CA.. 125 - 156 Capítulo 9 Circuitos filtro de resistencia-inductancia y resistencia-capacitancia . 157 - 170 Capítulo 10 El transformador ................................................................................... 171 - 192 Capítulo 11 Aislamiento con transformadores ......................................................... 193 - 208

Circuitos de CA – 1 D3000 Contenido Manual de Laboratorio

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Introducción Introducción

1

Tu Unidad Base Digiac 3000

Existen tres tipos diferentes de unidad base Digiac 3000:

• Plataforma de instrumentos virtuales

• Plataforma de experimentos

• Unidad base inteligente con Consola para el Estudiante integrada.

Es importante que seas capaz de reconocer el tipo de unidad base que estés utilizando. Si tienes dudas, debes preguntar a tu instructor.

Cada tipo de unidad base Digiac 3000 puede funcionar de dos maneras:

• Como estación de trabajo administrada por computadora, en la que se puede supervisar la actividad del estudiante por medio de un sistema de administración en el salón de clases.

• Como estación de trabajo ‘independiente’, en la que la actividad del estudiante no se administra por medio de una computadora.

Si no estás seguro si tu estación de trabajo está administrada por computadora, pregunta a tu instructor.

Antes de usar por primera vez tu unidad base, debes leer las instrucciones de operación provistas con ella. Es importante que sepas cómo:

• Hacer funcionar las fuentes de potencia del módulo • Conectar y desconectar cargas al tablero de circuitos • Registrarte en el sistema de administración y requerir trabajo* • Responder las preguntas y las hojas de trabajo para la localización de fallas* • Entregar tu trabajo cuando hayas terminado* • Abandonar el sistema al finalizar tu sesión de trabajo* * Estas opciones sólo se refieren a las estaciones de trabajo administradas por computadora.

Circuitos de CA – 1 D3000 Introducción Manual de Laboratorio

2

Requerimientos de los equipos de prueba Necesitarás equipo de prueba para realizar los ejercicios prácticos y las actividades de localización de fallas contenidas en este manual. Si tu unidad base D3000 es una Plataforma de Instrumentos Virtuales, todo el equipo necesario aparece en la pantalla de tu computadora personal (PC), en la forma de instrumentos ‘virtuales’. Sin embargo, su tu unidad base es una Plataforma de Experimentos o una Unidad Base Inteligente, necesitarás el siguiente equipo de prueba: 1. Multímetro digital Cuando menos, debe contar con los siguientes rangos de medición:

• Voltaje de CA • Corriente de CA • Resistencia

2. Osciloscopio Debe ser un instrumento con trazo dual, con terminales intercambiables

x1/x10 de conexión rápida.

3. Generador de señales Debe tener un rango de frecuencias que cubra cuando menos de 0.2 Hz a 2

MHz, amplitud ajustable de salida hasta de 15 Vp-p y una impedancia de salida no mayor a 50 Ω.

Uso del equipo de prueba A fin de terminar los ejercicios prácticos de este Manual de laboratorio, necesitarás familiarizarte con el equipo de pruebas que estás utilizando. Para mayor información sobre el uso del equipo de prueba, consulta la información proporcionada con tu unidad base Digiac 3000.

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Introducción

3

Conexiones del equipo de prueba 1. Multímetro digital

Las mediciones se realizan conectando directamente el multímetro a los enchufes de 2 mm en los puntos de prueba del tablero de circuitos, utilizando los cables rojo y negro incluidos en tu unidad base. Las conexiones del multímetro mostradas en este manual están coloreadas en gris y negro (ver el ejemplo siguiente). La conexión gris representa el cable rojo del medidor (que se conecta al enchufe del medidor marcado como V-Ω, o A), mientras que la conexión negra representa el cable negro del medidor (que se conecta al enchufe COM del medidor).

2. Osciloscopio

El tablero de circuitos incluye un tablero de conexión para las pinzas de las terminales del osciloscopio.

Cada terminal debe conectarse al poste de terminales apropiado (CH.1 o CH.2, esto es, canal 1 o canal 2) de la forma que se muestra. La pinza de “tierra” de cada terminal se conecta a uno de los postes terminales, junto al símbolo .

CH.1

CH.2

1.2

1.1A


4

Osciloscopio (continuación) Para verificar cualquier enchufe punto de prueba del tablero de circuitos utilizando el tablero de conexión del osciloscopio, sólo conecta el enchufe del punto de prueba al enchufe apropiado (CH.1 o CH.2) del tablero de conexiones utilizando los cables proporcionados con tu unidad base.

Si tu unidad base es una Plataforma de Instrumentos Virtuales con un osciloscopio “virtual” integrado, puedes conectar alternativamente el osciloscopio directamente a los enchufes de punto de prueba del tablero de circuitos, utilizando las conexiones de la Plataforma del Instrumentos Virtuales del tablero frontal; sin embargo, en caso que en el ejercicio práctico se especifique el uso de las pinzas terminales x1 o x10, éstas deben conectarse desde los enchufes BNC en la parte trasera de la unidad Plataforma del Instrumentos Virtuales al tablero de conexiones del osciloscopio.

3. Generador de señales La salida del generador de señales está disponible en el tablero de circuitos en

cualquier punto en que aparezca el símbolo S.G.

.

Si tu unidad base Digiac 3000 es una Plataforma de Experimentación o una Unidad Base Inteligente, primero necesitarás conectar la salida del generador de señales al conector BNC que se encuentra del lado derecho del estuche de la unidad base; para este propósito, se suministra un cable de conexión BNC-BNC con la unidad base.

Si tu unidad base es una Plataforma de Instrumentos Virtuales, utilizarás el generador “virtual” de señales integrado. En este caso, no se requiere conectar ningún generador externo de señales.

Fuentes de alimentación del módulo

Tu unidad base D3000 tiene integrado un interruptor de Fuentes de Potencia del Módulo, que se utiliza para aislar el tablero de circuitos de las fuentes de potencia internas de la unidad base.

Debes asegurarte que las fuentes de potencia del módulo están apagadas (OFF): • Al efectuar (o cambiar) las conexiones de cualquier circuito, • Al efectuar mediciones de resistencia, y • Al terminar los ejercicios prácticos o la actividad de localización de fallas. Para mayor información sobre cómo controlar las fuentes de potencia del módulo, consulta las instrucciones de operación provistas con tu unidad base.

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Introducción

5

Conexión de circuitos La conexión de circuitos se realiza utilizando los conectores de corto circuito y los cables de conexión provistos con el Juego de Accesorios de tu unidad base.

A menos que se indique otra cosa en este manual, al terminar cada ejercicio práctico o actividad de localización de fallas, debes retirar todos los conectores de corto circuito y los cables del tablero de circuitos y regresarlos al Juego de Accesorios.

Actividades de localización de fallas

En su estado normal de trabajo, los circuitos del tablero de circuitos son como se ilustran en el diagrama de distribución impreso en el mismo. Sin embargo, tu unidad base puede introducir una falla en cualquier circuito durante las actividades de localización de fallas. Tu serás capaz de diagnosticar plenamente estas fallas realizando mediciones en, y entre los enchufes numerados de los puntos de prueba del tablero de circuitos.

Uso de este manual en una estación de trabajo administrada por computadora

Cada que veas este símbolo en el margen izquierdo de este manual de laboratorio, se te requerirá que contestes una pregunta. Debes registrar tu respuesta utilizando tu estación de trabajo administrada por computadora, así como en una hoja de papel para que puedas revisar tus respuestas en cualquier momento posterior. Al final de la mayoría de los capítulos, se incluyen actividades de localización de fallas en la forma de Hojas de trabajo. Al inicio de cada hoja de trabajo, tu unidad base introduce automáticamente una falla en el tablero de circuitos, y la retira cuando se termina la hoja.


6

Uso de este manual en una estación de trabajo sin administración por computadora

Cada que veas este símbolo en el margen izquierdo de este manual de laboratorio, se te requerirá que contestes una pregunta. Si tu estación de trabajo no está administrada por computadora, deberás dar tu respuesta en forma escrita, sobre un papel. Al final de la mayoría de los capítulos, se incluyen actividades de localización de fallas en la forma de Hojas de trabajo. Antes de iniciar cada hoja de trabajo, debes solicitar a tu instructor que introduzca manualmente la falla requerida en el tablero de circuitos. De manera similar, una vez que hayas diagnosticado la falla del circuito, necesitarás pedir a tu instructor que la retire. Las fallas que deben introducirse en cada hoja de trabajo aparecen en el Libro de Soluciones del instructor para este manual de laboratorio. Buena suerte con tus estudios sobre circuitos de CA.

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 1 Capítulo 1 Ondas alternas de forma senoidal

7

Objetivos de este Capítulo

Una vez que hayas terminado este capítulo, serás capaz de:

Medir la frecuencia y el período de una onda de forma senoidal.

Relacionar valores de cresta a RMS para ondas alternas.

Distinguir entre ondas de forma senoidal, cuadrada y triangular.

Calcular el período y la frecuencia de las ondas.

Realizar cálculos con base en valores RMS, de cresta y pico a pico.

Equipo requerido para este Capítulo

• Circuito #1 del Módulo de Circuitos de CA-1 D3000-1.2. • Conectores de corto circuito y cables de conexión. • Multímetro. • Generador de señales. • Osciloscopio.

Circuitos de CA – 1 D3000 Capítulo 1 Manual de Laboratorio

8

La onda alterna de forma senoidal y los términos correspondientes

1 Cycle

Peak Value

PeriodicTime

Time

Peak-PeakValue

RMS Value(0.707 x Peak Value)

+Max

-Max

0

Figura 1.1

La Figura 1.1 representa una onda alterna de forma senoidal y señala los términos utilizados para describir sus características. La onda varía con el tiempo entre valores máximos positivos y negativos, siendo ambos de igual magnitud.

Definición de los términos utilizados para describir una onda alterna de forma senoidal

Valor de cresta: Valor máximo positivo o negativo.

Valor pico a pico: Valor entre los valores máximos positivo y negativo. (2 x valor de cresta)

Valor RMS: 0.707 x el valor de cresta.

Ciclo: Una variación completa (o ciclo) de la onda.

Período (T): Tiempo necesario para que la onda complete un ciclo.

Frecuencia (f): Número de ciclos completos en un segundo. Unidades: Hercio (Hz)

Frecuencia = Período

1

f = 1T

1 ciclo

Valor de cresta

Período

Valor RMS (0.707 x Valor cresta)

Valor pico a pico

Tiempo

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 1

9

Notas:

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10

Ejercicio 1.1 Estudio de las ondas alternas

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18

1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

To Oscilloscope

CH.1

Figura 1.2

Inserta conectores de corto circuito en el Circuito #1 como se muestra en la

Figura 1.2.

Configura el osciloscopio de la siguiente manera:

Base de tiempo de 1 ms/div, selector de disparo a CA, operación de trazo dual.

Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CD. Posición del trazo del CH.1 a lo largo del centro de la pantalla.

Asegúrate que el tiempo base del osciloscopio y que los controles del canal 1 y 2 (CH.1 y CH.2) se encuentren en sus posiciones de calibrar.

Conecta CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.17.

Al canal 1 (CH.1) del

osciloscopio


11

El circuito formado se muestra en la Figura 1.3 a continuación.

GS

R 2 1 k Ω

R 5 1 k Ω

1 . 1 7

A CH.1

Figura 1.3

Ajusta la frecuencia de salida del generador de señales a aproximadamente

100 Hz y ajusta el control de amplitud para que el trazo obtenido en el osciloscopio sea una onda senoidal de 6 V pico a pico (esto es, 6 divisiones p-p).

En este ejercicio práctico utilizarás un generador de señales para generar

ondas de CA. Si estás utilizando instrumentación virtual basada en tu PC, la señal del generador se conectará automáticamente a tu unidad base por medio de la conexión de la PC. Sin embargo, si estás utilizando un generador externo de señales, debes asegurarte que se encuentra conectado a la unidad base utilizando el cable coaxial provisto. Si tienes dudas, consulta la información del usuario proporcionada con tu unidad base.

Ajusta la frecuencia de salida del generador de señales de forma que un ciclo

del trazo del CH.1 ocupe 10 divisiones. El período de la onda será entonces de 10 ms. (10 divisiones x 1 ms/div = 10 ms).


12

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 1 kHz y observa el número de ciclos completos ahora en 10 ms.

El número de ciclos completos debe ser 10.

Ajusta el control de la base de tiempo del osciloscopio a 0.1 ms/div. Ahora un ciclo debe ocupar 10 divisiones. El período es: 10 divisiones x 0.1 ms/div = 1 ms.

Ajusta la frecuencia de salida del generador de señales a 10 kHz y observa el

número de ciclos en 10 divisiones (1 ms). El número de ciclos debe ser 10.

Ajusta el control de la base de tiempo del osciloscopio a 10 µs/div. Ahora un ciclo debe ocupar 10 divisiones.

El período es: 10 divisiones x 10 µs/div = 100 µs.

Ajusta la frecuencia de salida del generador de señales a 100 kHz y observa el número de ciclos en 10 divisiones (100 µs).

El número de ciclos completos de ser 10.

Ajusta el control de la base de tiempo a 1 µs/div. Ahora un ciclo debe ocupar 10 divisiones.

El período es: 10 divisiones x 1 µs/div = 10 µs.

Ajusta la frecuencia de salida del generador de señales a 10 kHz. Ajusta el control de la base de tiempo del osciloscopio para que un ciclo de la onda ocupe 8 divisiones.

Calcula el período para la onda, t.

t =

1.1a Ingresa el período.

Calcula la frecuencia de la onda, f. f =

1.1b Introduce el valor de la frecuencia.

µs

kHz


13

El ajuste del generador de señales debe indicar una frecuencia aproximadamente igual al valor calculado.

Ajusta la frecuencia de salida del generador de señales a 100 Hz y el control de la base de tiempo del osciloscopio a 2 ms/div. Deben aparecer dos ciclos de una onda senoidal.

Ajusta la salida del generador de señales a una onda de forma triangular y después cuadrada y observa los trazos obtenidos. Deben aparecer dos ciclos de estas formas de onda.

Ajusta CH.1 del osciloscopio a entrada de CD y apaga la base de tiempo Horizontal. En algunos tipos de osciloscopio, esto se logra seleccionado HOR. EXT. o X-Y. Ajusta el generador de señales para una onda senoidal y una frecuencia de 0.2 Hz. A esta baja frecuencia, la onda seno se verá como un punto moviéndose hacia arriba y hacia abajo del eje Y.

Utilizando un cronómetro, registra el tiempo que requiere un ciclo, este es el tiempo para un cambio completo de positivo máximo a positivo máximo.

Tiempo para un ciclo (período) =

1.1c Ingresa el período. De ahí, calcula la frecuencia de la onda.

1.1d Introduce el valor de la frecuencia. También observa la velocidad a la que se mueve el punto hacia arriba y hacia abajo. Deberás observar que el movimiento es lento en los valores máximos positivo y negativo y que es más rápido a los valores de voltaje cero.

Repite el procedimiento para las ondas de forma triangular y cuadrada, observando el período y la velocidad de movimiento del trazo para cada forma de onda.

El período es el mismo que para la onda senoidal.

Para la onda triangular, deberás observar que el trazo se mueve a velocidad constante entre los valores máximos positivo y negativo.

Para la onda cuadrada, el trazo es alterno a valor máximo positivo y a valor máximo negativo, para la mitad del período en cada caso.

seg


14

Ejercicio 1.2 Relación entre los valores de cresta y RMS en una onda senoidal

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18

1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26 1.28

1.16

1.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 1.4

Inserta conectores de corto circuito como se muestra en la Figura 1.4.

Conecta el multímetro, ajustandolo para medir hasta 20V CA, a los enchufes 1.15 y 1.29.

Ajusta el osciloscopio de la forma siguiente: Base de tiempo a 0.1 ms/div, selector de disparo a CA, trazo simple. Ganancia del amplificador Y de CH.1 a 0.5 V/div, entrada de CD. Posición del trazo del CH.1 a lo largo del centro de la pantalla

Conecta CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.17.

El circuito formado se muestra en la Figura 1.5.

..

R21kΩ

R51kΩ

1.17

To CH.1

V

1.29

1.15

Figura 1.5

A CH.1

GS


15

Ajusta el generador de señales para que de una salida senoidal con

frecuencia de 1 kHz y ajusta el control de amplitud para que la indicación del multímetro sea 1.0 V.

Registra el valor pico a pico del trazo del osciloscopio.

Valor pico a pico del trazo = divisiones.

Calcula el voltaje pico a pico = divisiones x 0.5 V/div.

=

Voltaje de cresta (0.5 x pico a pico) = El valor del multímetro indica el valor RMS de una onda senoidal y de ahí que el valor de cresta determinado a partir del trazo represente el valor de cresta del voltaje de un valor RMS de 1 V. Anota el valor de cresta en la Tabla 1.1.

Ajusta el control CH.1 del osciloscopio a 2 V/div y después ajusta la amplitud de la salida del generador de señales para que el multímetro indique 2 V y después 4 V y para cada ajuste, anota el valor de cresta del voltaje del trazo obtenido en el osciloscopio. Anota los valores en la Tabla 1.1.

Multímetro (voltaje RMS) 1 V 2 V 4 V

Osciloscopio (voltaje de cresta) V V V Tabla 1.1 Analiza los valores obtenidos en la tabla. Las relaciones deben ser aproximadamente las siguientes:

Valores de cresta = 1.4 x los valores rms. Valores RMS = 0.7 x los valores de cresta.

Ajusta el control CH.1 del osciloscopio a 2 V/div y ajusta la amplitud de la salida del generador de señales para que de un trazo de 12 V pico a pico (6 divisiones p-p). Observa la indicación del multímetro.

Lectura del multímetro =

V

V

Vrms


16

1.2a Introduce la lectura del multímetro.

Ajusta el control CH.1 a 2 V/div y ajusta la salida del generador de señales a 3 V, indicados por el multímetro. Observa el valor de cresta del trazo del osciloscopio.

Valor de cresta =

1.2b Ingresa el valor de cresta.

Ajusta la amplitud de salida del generador de señales para que de un trazo de 12 V pico a pico (6 divisiones p-p). Observa la indicación del multímetro con la forma de onda ajustada a (a) senoidal, (b) triangular y (c) cuadrada, ajustando la amplitud de la salida según sea necesario para mantener un trazo de 12 V pico a pico para cada forma de onda.

Lectura del multímetro: Senoidal =

Triangular =

Cuadrada = Observarás que la lectura del multímetro varía con el tipo (forma) de la onda. Si tu multímetro es un medidor RMS verdadero, dará un valor preciso RMS, independientemente de la forma de la onda; sin embargo, muchos multímetros sólo se calibran para indicar valores RMS para ondas de forma senoidal, y no son muy precisos al medir otro tipo de ondas.

1.2c Se ajusta la amplitud de una señal senoidal de entrada a un multímetro para obtener cierta lectura de voltaje RMS en la pantalla del multímetro. Las lecturas para las ondas de entrada triangular y cuadrada del mismo valor pico a pico serán:

a no hay cambio.

b es mayor para ambas, triangular y cuadrada.

c es mayor para la triangular y menor para la cuadrada.

d es menor para la triangular y mayor para la cuadrada.

V

Vrms

Vrms

Vrms


17

Evaluación del Estudiante 1

+

-

0

+

-

0

+

-

0

+

-

0

a b c d

1. En el diagrama anterior, identifica la onda alterna de forma senoidal. 2. En el diagrama anterior, identifica la onda alterna de forma cuadrada.

3. El valor pico a pico de un trazo senoidal en un osciloscopio ocupa 6 divisiones verticales con el control Y ajustado a 2 V/div. El valor de cresta de la onda es:

a 2 V b 3 V c 6 V d 12 V

4. El valor pico a pico de un trazo senoidal en un osciloscopio ocupa 5.4 divisiones verticales con el control Y ajustado a 5 V/div. El valor de cresta de la onda es:

a 12.5 V b 13.5 V c 25 V d 27 V

5. Dos ciclos de un trazo senoidal en un osciloscopio ocupan 10 divisiones horizontales con el control X ajustado a 5 µs/div. El período de la onda es:

a 10 µs b 12.5 µs c 25 µs d 50 µs

6. Dos ciclos de un trazo senoidal en un osciloscopio ocupan 8 divisiones horizontales con el control X ajustado a 0.1 ms/div. La frecuencia de la onda es:

a 1.25 kHz b 2.5 kHz c 5 kHz d 7.5 kHz

7. Se aplica un voltaje senoidal a un multímetro y a un osciloscopio. La lectura del multímetro es 3.5 V. Con el control Y del osciloscopio ajustado a 2 V/div, el valor del trazo p-p es aproximadamente:

a 2.5 divisiones b 3.0 divisiones c 5.0 divisiones d 10 divisiones

Continúa ...


18

Evaluación del Estudiante 1 – Continuación...

8. El voltaje pico a pico de una onda senoidal es 282 V. Su voltaje rms es: a 100 V b 395 V c 141 V d 200 V 9. El voltaje de cresta de una onda senoidal es 6 V. Su voltaje rms es: a 3.84 V b 4.05 V c 4.24 V d 8.48 V 10. El periodo de una onda seno es 1 ms. Su frecuencia es: a 100 Hz b 500 Hz c 1 kHz d 2 kHz 11. La frecuencia de un voltaje alterno senoidal es 4 kHz. El tiempo para un ciclo es: a 25 µs b 0.25 ms c 2.5 ms d 25 ms Notas:

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D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 2 Capítulo 2 Alimentación alterna con carga pura resistiva

19



Determinar, por medición o cálculo, la corriente en un circuito de CA.

Observar las formas de onda en un circuito resistivo.

Medir los voltajes a través de resistencias en serie conectadas a una fuente de CA.

Realizar cálculos con base en resistencias en serie conectadas a una fuente de CA.

Medir las corrientes en resistencias en paralelo conectadas a una fuente de CA.

Realizar cálculos con base en resistencias en paralelo conectadas a una fuente de CA.

Diagnosticar una falla en un circuito resistivo de CA.




20

Circuitos de CA que sólo contienen resistencias En los circuitos de CA que sólo contienen resistencias, la ley de Ohm se aplica así:

V = Ι R con V y Ι en valores rms, o V y Ι en valores de cresta, o V y I en valores pico a pico

La corriente se encuentra en fase con el voltaje. La corriente no depende de la frecuencia. Resistencias en serie

R1 R3R2

V1 V3V2

V

I

R

V

I

Figura 2.1

Resistencia total = Suma de las resistencias individuales

R = R1 + R2 + R3

Voltaje de alimentación = Suma de los voltajes individuales

V = V1 + V2 + V3 Resistencias en paralelo

R

V

I

R1

R3

R2

I3

I2

I1

V

I

Figura 2.2

1R = 1

R11

R21

R3+ +

Corriente de alimentación = Suma de las corrientes individuales

Ι = Ι1 + Ι2 + Ι3


21

Ejercicio 2.1 Resistencias con alimentación de CA senoidal

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 2.3

Mediciones utilizando un multímetro

Coloca los conectores de corto circuito como se muestra en la Figura 2.3.

Conecta el multímetro, ajustado para medir hasta 20V CA, a los enchufes 1.3 y 1.33.

En la Figura 2.4 se muestra el circuito formado.

..R2

1kΩV

1.31.1

1.33

Figura 2.4

GS


22

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 1 kHz y el control de la amplitud de salida para que la lectura del multímetro sea de 4 V.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 1.32 y 1.31.

Conecta nuevamente el multímetro, ajustado para medir hasta 20 mA CA, entre los enchufes 1.32 y 1.31 para medir la corriente que fluye en el circuito. Anota el valor en la línea superior de la Tabla 2.1.

Resistencia en el circuito

Voltaje Corriente Resistencia calculada

1 kΩ 4 V mA kΩ

3.3 kΩ 4 V mA kΩ

10 kΩ 4 V mA kΩ Tabla 2.1

Retira el multímetro y ajústalo para medir hasta 20 V CA y conéctalo nuevamente entre los enchufes 1.1 y 1.33. Coloca nuevamente el conector entre los enchufes 1.32 y 1.31.

Retira el conector entre los enchufes 1.7 y 1.8 e insértalo entre los enchufes 1.9 y 1.10 para conectar R3 en el circuito. Ajusta la salida del generador de señales para que dé una lectura de 4 V en el multímetro.

Retira el conector entre los enchufes 1.32 y 1.31. Conecta nuevamente el multímetro, ajustado para medir hasta 20 mA CA, entre los enchufes 1.32 y 1.31 para medir la corriente que fluye en el circuito. Anota el valor en la segunda línea de la Tabla 2.1.

Conecta nuevamente el multímetro ajustado para medir hasta 20 V CA entre los enchufes 1.1 y 1.33. Coloca nuevamente el conector entre los enchufes 1.32 y 1.31.

Retira el conector entre los enchufes 1.9 y 1.10 e insértalo entre los enchufes 1.11 y 1.12 para conectar R4 al circuito. Ajusta la salida del generador de señales para que dé una lectura de 4 V en el multímetro.

Retira el conector entre los enchufes 1.32 y 1.31 y mide la corriente en el circuito siguiendo el procedimiento anterior, anotando el valor en la tercera línea de la Tabla 2.1.


23

Utilizando la Ley de Ohm (V=IR), calcula la resistencia utilizando tus valores de voltaje y corriente. Registra tus resultados en la Tabla 2.1.

Analiza los resultados de la Tabla 2.1. Debes comprobar que la Ley de Ohm es aplicable a las resistencias con alimentación de CA cuando los valores de voltaje y corriente son valores rms.

2.1a Un circuito con una entrada fija de voltaje consume una corriente de 10 mA. Si se duplica la resistencia del circuito, la corriente será: a 5 mA b 7.5 mA c 10 mA d 20 mA

Utilizando el Circuito #1, conecta un circuito que conste de la resistencia de 5.5 kΩ conectada al generador de señales y mide la corriente en el circuito para un voltaje aplicado de 4 V.

Corriente =

2.1b Introduce la corriente medida.

Mediciones utilizando un osciloscopio

Retira todos los conectores que se encuentren conectados al Circuito #1.

Conecta la resistencia de 1 kΩ, R2, y la resistencia de 10 Ω, R7, al circuito insertando conectores entre los enchufes 1.5 y 1.6, 1.7 y 1.8, 1.28 y 1.29 y entre 1.30 y 1.32.

Ajusta el osciloscopio como se indica a continuación: El control de la base de tiempo a 0.1 ms/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y de CH.1 Y a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y de CH.2 Y a 50 mV/div, entrada de CA Coloca el trazo del CH.1 3 divisiones debajo de la parte superior de la

pantalla y el del CH.2 2 divisiones arriba de la parte inferior de la pantalla.

Conecta CH.1 al enchufe 1.17 y CH.2 al enchufe 1.31.

En la Figura 2.5 se muestra el circuito formado. El CH.2 del osciloscopio supervisa la caída de voltaje a través de la resistencia R7 de 10 Ω, que es proporcional a la corriente del circuito.

Con la frecuencia del generador de señales en 1 kHz, ajusta la amplitud de salida para que el trazo del CH.1 tenga una amplitud de 12 V pico a pico (6 divisiones pico a pico) y observa la amplitud del trazo del CH.2 en divisiones pico a pico, registrando el valor en la primera línea de la Tabla 2.2 debajo del encabezado ‘Div p-p’.

mA


24

..R2

1kΩ

R710Ω

1.17

To CH.1

To CH.2

1.31 Figura 2.5

Convierte los valores p-p del CH.2 (en divisiones de la pantalla) en mV p-p y en mA p-p.

mV p-p = Div p-p x 50 mV/Div.

mA p-p = mV p-p

10 (ya que R7 = 10 Ω).

Anota estos valores en la primera línea de la Tabla 2.2, debajo de los encabezados ‘mV p-p' y 'mA p-p', respectivamente.

Repite el procedimiento para la resistencia R3 conectada en el circuito (cambia el conector que conecta los enchufes 1.7 y 1.8 a los enchufes 1.9 y 1.10), anotando los valores en la segunda línea de la Tabla 2.2.

Voltaje de Trazo del CH.2

CH.1 Div p-p mV p-p mA p-p

1 kΩ 12 V p-p

3.3 kΩ 12 V p-p

Tabla 2.2

Analiza las lecturas de la Tabla 2.2. Los valores p-p también deben cumplir con la ley de Ohm.

Conecta un circuito de resistencia de 2.2 kΩ, ajusta la salida del generador de señales para que en el trazo del CH.2 aparezca una corriente de 5 mA p-p y observa el voltaje aplicado, según lo indica el trazo del CH.1.

Voltaje aplicado p-p =

2.1c Anota el valor p-p del voltaje aplicado.

Circuito

A CH.2

GS

A CH.1


25

Ejercicio 2.2 Relaciones de fase del voltaje y la corriente para resistencias con alimentación de CA senoidal

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 2.6

Inserta los conectores como se muestra en la Figura 2.6.

Ajusta el osciloscopio como se indica a continuación: El control de la base de tiempo a 0.1 ms/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 50 mV/div, entrada de CA.

Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.17 y el CH.2 al enchufe 1.31.


..R2

1kΩ

R710Ω

1.17

To CH.1

To CH.2

1.31

Figura 2.7

A CH.2

GS

A CH.1


26

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 1 kHz y la amplitud para obtener un trazo del CH.1 de 12 V p-p (6 divisiones p-p). Observa la amplitud del trazo del CH.2 en divisiones p-p, mV p-p y calcula los mA p-p. Registra los valores en la Tabla 2.3.

Voltaje del Trazo del CH.2

CH.1 div p-p mV p-p mA p-p

1 kHz 12 V p-p

Tabla 2.3

Observa las relaciones de fase entre el trazo del CH.2 con respecto al trazo del CH.1.

Varía la frecuencia del generador de señales en un rango de 1 kHz a 10 kHz. Conforme cambia la frecuencia, observa en el osciloscopio el efecto de:

1. La fase de la onda de corriente (CH.2) con relación al voltaje de la onda de voltaje (CH.1).

2. El cambio de amplitud de la onda de corriente.

2.2a A partir de tus observaciones, la relación de fase entre el CH.1 y el CH.2 es:

CH.1 CH.1CH.1CH.1

CH.2

CH.2CH.2CH.2

a b c d

2.2b El efecto sobre la magnitud de la corriente y sobre la fase con relación al voltaje, al aumentar la frecuencia, para una sola resistencia con una alimentación de voltaje de CA fija, es:

a aumenta la magnitud sin cambiar la fase.

b disminuye la magnitud sin cambiar la fase.

c la magnitud no cambia y no existe cambio de fase.

d la magnitud no cambia, pero existe un cambio de fase.

Frecuencia


27

Ejercicio 2.3 Resistencias conectadas en serie a una alimentación de CA senoidal

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 2.8

Inserta los conectores como se muestra en la Figura 2.8.

Conecta el multímetro, ajustado para medir hasta 20 V CA, a los enchufes 1.5 y 1.18.


..

R21kΩ

R11kΩ

1.18

V

1.5

Figura 2.9

Ajusta la frecuencia de salida del generador de señales a 1 kHz y el control de la amplitud para obtener una salida de 5 V, señalados por el multímetro.

GS


28

Mide los voltajes a través de R1 y R2, uno a la vez, utilizando el multímetro, después anota los valores en la Tabla 2.4.

Voltajes

Alimentación R1 (1 kΩ) R2 (1 kΩ)

1 kHz 5 V V V Tabla 2.4

Retira los conectores que se encuentran entre los enchufes 1.7 y 1.8 y 1.28 y 1.29 y conéctalos nuevamente entre 1.9 y 1.10 y entre 1.20 y 1.21 para formar un circuito con R1, R3 y R6 en serie.

Con la frecuencia ajustada a 1 kHz y el voltaje de alimentación en 5 V, mide

los voltajes a través de cada resistencia y anota los valores en la Tabla 2.5.

Voltajes

Alimentación R1 (1 kΩ) R3 (3.3 kΩ) R6 (2.2 kΩ)

1 kHz 5 V V V V Tabla 2.5 Tus resultados deben mostrar que, para un circuito conectado en serie, la suma de las caídas de voltaje a través de las resistencias es igual al voltaje de alimentación.

Configura un circuito con resistencias de 1 kΩ y 10 kΩ conectadas en serie y con el voltaje de alimentación ajustado a 5 V, mide la caída de voltaje a través de la resistencia de 10 kΩ.

Voltaje a través de la resistencia de 10 kΩ =

2.3a Introduce el voltaje medido.

Frecuencia

Frecuencia

V


29

Configura un circuito con las resistencias de 1 kΩ (R1), 3.3 kΩ y 1 kΩ (R5) conectadas en serie y con el voltaje de alimentación ajustado a 6 V, mide la caída de voltaje a través de la resistencia de 1 kΩ (R5).

Voltaje a través de la resistencia R5 =

2.3b Registra el voltaje medido.

2.3c Para un circuito de resistencias en serie, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a La caída máxima de voltaje ocurre a través de la resistencia más grande.

b La caída máxima de voltaje ocurre a través de la resistencia más pequeña.

c La caída mínima de voltaje ocurre a través de la resistencia más grande.

d Las corrientes que fluyen por las resistencias son diferentes.

Notas:

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................


30

Ejercicio 2.4 Resistencias en paralelo conectadas a una alimentación de CA senoidal

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 2.10

Inserta conectores como se muestra en la Figura 2.10 y conecta un cable de 2 mm entre los enchufes 1.9 y 1.19.


.SG. R21kΩ

R51kΩ

Figura 2.11

Retira el conector entre los enchufes 1.32 y 1.31 y, en su lugar, conecta el multímetro, ajustado para medir hasta 20 mA CA, para medir la corriente total del circuito.

Ajusta el generador de señales a 1 kHz y ajusta el control de salida para que la corriente sea de 5 mA y después coloca nuevamente el conector entre 1.32 y 1.31.

GS


31

Mide la corriente en la resistencia R2 retirando el conector entre 1.7 y 1.8 insertando el multímetro en su lugar. Coloca nuevamente el conector entre 1.7 y 1.8, retira el cable que conecta los enchufes 1.9 y 1.19 y conecta el multímetro entre estos enchufes y mide la corriente en R5. Anota los valores en la Tabla 2.6.

Corrientes

Alimentación R2 (1 kΩ) R5 (1 kΩ)

1 kHz 5 mA

Tabla 2.6

Deja desconectado el cable del circuito e inserta conectores de corto circuito entre los enchufes 1.9 y 1.10, y entre 1.11 y 1.12 para formar un circuito con R2, R3 y R4 en paralelo.

Repite el procedimiento anterior ajustando la corriente de alimentación a 5

mA y mide la corriente en cada resistencia. Anota los valores en la Tabla 2.7.

Corrientes

Alimentación R2 (1 kΩ) R3 (3.3 kΩ) R4 (10 kΩ)

1 kHz 5 mA

Tabla 2.7

Configura un circuito con las resistencias de 1 kΩ y 2.2 kΩ en paralelo y ajusta la corriente total de entrada a 5 mA a una frecuencia de 1 kHz. Mide la corriente en la resistencia de 1 kΩ.

Corriente en la resistencia de 1 kΩ =

2.4a Ingresa la corriente registrada en la resistencia de 1 kΩ.

2.4b Para los circuitos resistivos en paralelo, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a La corriente mayor fluye por la resistencia con mayor valor.

b La corriente mayor fluye por la resistencia con menor valor.

c La corriente menor fluye por la resistencia con menor valor.

d Las corrientes son siempre iguales en las resistencias.

Frecuencia

Frecuencia


32

Fallas del Módulo y diagnóstico de las mismas

El Módulo de Circuitos de CA-1 tiene fallas que se introducen mediante interruptores, y están diseñadas para poner a prueba tu comprensión del trabajo que has llevado a cabo en este manual.

Si estas siguiendo el curso utilizando una estación de trabajo que no está controlada por una computadora, la introducción de estas fallas la controlará tu instructor. Si estás trabajando en una estación de trabajo controlada por computadora, las fallas se provocan y se retiran automáticamente.

En cada uno de los ejercicios de localización de fallas, tu procedimiento será el siguiente:

Prueba del circuito

Prueba el circuito según las instrucciones de la hoja de trabajo.

Registro de mediciones y síntomas de fallas

Registra todas las lecturas tomadas, listando los síntomas de falla.

Nota: Es muy importante que continúes con las mediciones, aunque existan discrepancias. Sólo cuando hayas realizado todas las mediciones deberás intentar deducir la falla.

Deducción de fallas

Cuando sea conveniente, utiliza la Ley de Ohm para comprobar que los valores de las resistencias son comparables. Asimismo, cuando sea necesario, compara los resultados obtenidos con los alcanzados en los circuitos de trabajo de ejercicios anteriores. Registra cualquier discrepancia.

A partir de las discrepancias, deduce y registra las posibles fallas.

Confirmación de las fallas

Toma cualquier medición de resistencia que sea necesaria para confirmar la falla real.

Conclusión sobre las condiciones de falla

Registra las condiciones de falla.

Nota: Todas las fallas de circuito cubiertas por los ejercicios de localización de fallas de este manual se pueden deducir y confirmar totalmente realizando mediciones en y entre los enchufes numerados de puntos de prueba del tablero de circuitos. No es necesario que tengas acceso a las conexiones de los componentes físicos montados en el tablero.


33

Hoja de trabajo W1

La computadora de control ha provocado una falla en el siguiente circuito.

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18

1.20

1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 2.12

Conecta el circuito como se muestra anteriormente.

Ajusta la salida del generador de señales a 1 kHz senoidal y la amplitud a 5

Vrms (medidos con el multímetro).

Mide y registra el voltaje de alimentación y el voltaje a través de las resistencias R1, R2 y R6.

Voltaje de Voltaje a través de

Alimentación R1 R2 R6

A partir de las lecturas obtenidas, relaciona las posibles fallas que pudieran causar los síntomas que identifiques.

Realiza después una prueba, o pruebas (medición de resistencia o prueba de características con el osciloscopio) para confirmar tu diagnóstico.


34

Registra y anota tu diagnóstico a continuación.

Informe

Circuito Componente defectuoso

Naturaleza de la falla Razón para el diagnóstico

Respuesta a la falla: Introduce la falla que hayas diagnosticado.

Razón: Registra tu razón para que puedas obtener provecho de ella posteriormente.

Ahora que has terminado el ejercicio de fallas, la computadora de control la ha retirado.


35


1. La corriente que fluye en una resistencia conectada a una fuente de 5 V a 1 kHz es de 10 mA. Si se duplica la resistencia del circuito, la corriente será:

a 5 mA b 7 mA b 10 mA d 20 mA

2. La corriente que fluye en una resistencia conectada a una fuente de 5 kHz senoidal es de 20 mA. La corriente para el mismo voltaje, pero con una fuente de 10 kHz sería:

a 10 mA b 20 mA c 28.2 mA d 40 mA

3. La corriente en una resistencia conectada a una fuente de 100 V CD es de 10 A. La corriente rms en la resistencia cuando se conecta a una fuente de CA de 100 Vrms es de:

a 5A b 7.07A c 10A d 14.14A

4. Se conectan tres resistencias de 2 kΩ, 4 kΩ y 6 kΩ a una fuente de CA senoidal. Los voltajes medidos a través de las resistencias son 9 V, 6 V y 3 V. ¿Cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a La caída de voltaje a través de la de 4 kΩ es de 9 V.

b La caída de voltaje a través de la de 2 kΩ es de 9V.

c El voltaje de alimentación es de 15 V y la caída de voltaje a través de la de 2 kΩ es de 3 V. d La caída de voltaje a través de la de 6 kΩ es de 9 V.

5. Se conectan tres resistencias de 10 Ω, 15 Ω y 25 Ω en serie a una fuente alterna. El voltaje medido a través de la resistencia es de 15 Ω es de 30 V. El voltaje de alimentación es:

a 50 V b 70.7 V c 100 V d 150 V

6. Para el circuito mostrado, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera? 15kΩ 10kΩ 5kΩ

120V CA60Hz a La corriente es de 5 mA y la caída de voltaje a través de los 10 kΩ es de 40 V.

b La corriente es de 4 mA y la caída de voltaje a través de los 5 kΩ es de 20 V.

c La corriente es de 4 mA y la caída de voltaje a través de los 15kΩ es de 50 V.

d La corriente es de 5 mA y la caída de voltaje a través de los 15 kΩ es de 60 V.


36

Evaluación del Estudiante 2 – Continuación ...

7. Se conectan resistencias de 2 kΩ y 3 kΩ en paralelo a una fuente senoidal. Con una corriente de 12 mA en la resistencia de 3 kΩ, la corriente en los 2 kΩ será:

a 8 mA b 12 mA c 18 mA d 24 mA 8. Se conectan resistencias de 1 kΩ y 2 kΩ en paralelo a una fuente senoidal. La corriente

total consumida es de 6 mA. La corriente en los 1 kΩ es de: a 2 mA b 3 mA c 4 mA d 5 mA 9. Se conectan tres resistencias de 10 kΩ, 15 kΩ y 25 kΩ en paralelo a una fuente senoidal.

La corriente en la resistencia de 25 kΩ es de 6 mA. La corriente de alimentación es de: a 16 mA b 21 mA c 27 mA d 31 mA 10. Para el circuito mostrado, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

1 2 0 V CA 6 0 H z 3kΩ 6kΩ 12kΩ

a La corriente en los 6 kΩ es de 10 mA y la corriente de alimentación es de 60 mA.

b La corriente en los 12 kΩ es de 10 mA y la corriente de alimentación es de 60 mA.

c La corriente en los 3 kΩ es de 40mA y la corriente de alimentación es de 70 mA.

d La corriente en los 6 kΩ es de 10mA y la corriente de alimentación es de 70 mA.

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 3 Capítulo 3 Capacitancia e inductancia alimentadas por entradas cuadradas y senoidales

37



Relacionar ondas de corriente y de voltaje de capacitores alimentados con entradas de onda cuadrada.

Relacionar ondas de corriente y de voltaje de inductores alimentados con entradas de onda cuadrada.

Relacionar ondas de corriente y de voltaje de capacitores e inductores alimentados con una entrada senoidal.


• Circuitos #1 y #2 del Módulo de Circuitos de CA-1 D3000-1.2. • Conectores de corto circuito y cables de conexión. • Generador de señales. • Osciloscopio.


38

Capacitor conectado a una fuente de CA Para un capacitor alimentado con una corriente constante, el voltaje a través de él aumenta linealmente con el tiempo.

I

0

V

0Tiempo Tiempo

Figura 3.1

Si la corriente se invierte a períodos regulares, el voltaje a través del capacitor se eleva y cae linealmente con las dos direcciones distintas de la corriente.

I

0

+

-

0

V +

-

Tiempo Tiempo

Figura 3.2

La forma de la onda del voltaje es triangular. El valor de cresta del voltaje que se alcanza es proporcional al tiempo en que la corriente fluye de manera continua en una dirección. Con la entrada de onda cuadrada mostrada arriba, la corriente es continua en una dirección, positiva o negativa para T x 1

2, donde T es el período de la onda

cuadrada. Ya que el voltaje del capacitor es entonces proporcional a T, entonces es inversamente proporcional a la frecuencia f, ya que

f = 1T Hz.


39

El valor de cresta alcanzado por el voltaje también es inversamente proporcional al valor del capacitor. Esto se puede visualizar como análogo al llenado de una cubeta con agua. Entre mayor sea la cubeta, mayor es el flujo continuo de agua para alcanzar una altura específica en la cubeta. Entre mayor sea el valor de la capacitancia, mayor será el flujo continuo de corriente para alcanzar un voltaje específico. Si la forma de la onda de entrada es senoidal, el voltaje a través del capacitor también será senoidal. Sin embargo, las senoides de la corriente y el voltaje se encuentran defasadas, con la corriente adelantando al voltaje por 90° ( 1

4 de ciclo), como se muestra a

continuación.

I

0

+

-

V

Tiempo

Figura 3.3


40

Inductores conectados a una fuente de CA Para un inductor alimentado con voltaje constante, la corriente a través de él aumenta linealmente con el tiempo (hasta que alcanza un valor máximo).

I

0

V

0

+ +

Tiempo Tiempo

Figura 3.4

Si se invierte el voltaje aplicado al inductor a intervalos regulares, el resultado es una corriente linealmente creciente y decreciente a través del inductor.

V

0

+

-

0

I +

-

Tiempo Tiempo

Figura 3.5

Una entrada de voltaje de onda cuadrada provoca una onda triangular de corriente en el inductor. El valor de cresta de la onda de corriente es inversamente proporcional a la frecuencia del voltaje de entrada y al valor del inductor (su inductancia).


41

Si el voltaje de entrada al inductor es senoidal, entonces la corriente a través del mismo también será senoidal.

I

0

+

-

V

Tiempo

Figura 3.6

Las senoides están defasadas, con el voltaje aplicado adelantando a la corriente a través del inductor por 90° ( 1

4 de ciclo).

La siguiente regla nemónica puede ayudarte a recordar las relaciones de fase para las senoides de los circuitos capacitivos e inductivos: Para un capacitor (C), la corriente (I) adelanta al voltaje (V) por 90°. C I V i l El voltaje (V) adelanta a la corriente (I) por 90° a través de un inductor (L). c i V I L


42

Ejercicio 3.1 Capacitancia con entrada de corriente de onda cuadrada y senoidal

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.261.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 3.7

Inserta conectores de corto circuito como se muestra en la Figura 3.7

Configura el osciloscopio como se indica a continuación: El control de la base de tiempo a 0.2 ms/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y de CH.1 Y a 0.5 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y de CH.2 Y a 20 mV/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos a lo largo del centro de la pantalla.

Utilizando cables de conexión de 2 mm, conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.28 y el CH.2 al enchufe 1.29.


R4

10kΩ

R710Ω

1.29

1.28

C6220nF

A CH.2

GS A CH.1

Figura 3.8


43

El trazo del CH.1 representa la onda de voltaje del capacitor y el trazo del CH.2 representa la onda de la corriente. Se incluye la resistencia R4 de 10 kΩ para asegurar que la onda de la corriente es la misma que la del voltaje de entrada.

Ajusta la salida del generador de señales a una onda cuadrada de frecuencia de 1 kHz, y ajusta el control de la amplitud de salida para que el trazo del CH.2 sea de aproximadamente 1 división pico a pico.

Registra la amplitud del trazo del CH.1 observando su fase con relación al

CH.2. En los ejes provistos, dibuja la forma de la onda del CH.1. Amplitud p-p del CH.1 = divisiones

CH.2

Dibujo de la forma de la onda 3.1

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 2 kHz y registra el cambio en

la amplitud p - p del CH.1.

Amplitud p-p del CH.1 = divisiones


44

Con la frecuencia del generador de señales a 2 kHz, retira el conector que se encuentra entre los enchufes 1.26 y 1.27 y colócalo entre los enchufes 1.24 y 1.25 para reducir el valor del capacitor a 100 nF. Registra la amplitud p - p del CH.1.


Regresa el conector a los enchufes 1.26 y 1.27, regresa la frecuencia del generador de señales a 1 kHz y ajusta la forma de la onda a senoidal.

Ajusta la base de tiempo del osciloscopio a 0.2 ms/div.

En los ejes provistos, dibuja la forma de la onda del CH.1.

CH.2

Dibujo de la forma de la onda 3.2

Observa la relación de fase del trazo del CH.1 (onda de voltaje del capacitor)

con relación al trazo del CH.2 (onda de la corriente).


45

3.1a Considerando tu dibujo de la forma de la onda de la página anterior:

a la onda del voltaje adelanta a la onda de la corriente.

b la onda de la corriente adelanta a la onda del voltaje.

3.1b Una onda cuadrada de corriente de entrada a un capacitor de 100 nF produce una onda de voltaje triangular del capacitor de 10 V pico a pico. El voltaje pico a pico para un capacitor de 200 nF sería de: a 5 V b 10 V c 15 V d 20 V

Notas:

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..........................................................................................................................................

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..........................................................................................................................................

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46

Ejercicio 3.2 Inductancia con entrada de voltaje de onda cuadrada y senoidal

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22 2.24 2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 3.9

Inserta conectores como se muestra en la Figura 3.9.

Configura el osciloscopio como se indica a continuación: El control de la base de tiempo a 0.2 ms/div, el selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 10 mV/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos a lo largo del centro de la pantalla.

Utilizando cables de conexión de 2 mm, conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 2.17 y el CH.2 al enchufe 2.31.


..

R1410Ω

To CH.1

To CH.2

2.17

2.31

L3100mH

Figura 3.10

A CH.2

GS

A CH.1


47

El trazo del CH.1 representa la onda de voltaje del inductor y el trazo del CH.2 representa la onda de la corriente.

Ajusta la salida del generador de señales a una onda cuadrada de frecuencia de 1 kHz, y ajusta el control de amplitud de salida para que el trazo del CH.1 sea de aproximadamente 1 división pico a pico.

Registra la amplitud del trazo del CH.2 observando su fase con relación al

CH.1. En los ejes provistos, dibuja la onda del CH.2.


CH.1

Dibujo de la onda 3.3

Retira el conector entre los enchufes 2.28 y 2.29 y colócalo entre 2.26 y 2.27

para aumentar el valor de la inductancia a 200 mH. Registra la amplitud p - p del cambio del CH.2.


Regresa el conector a los enchufes 2.28 y 2.29 para ajustar nuevamente la inductancia a 100 mH, ajusta la frecuencia del generador de señales a 2 kHz y registra el cambio de la amplitud p - p del CH.2.



48

Regresa la frecuencia del generador de señales a 1 kHz y ajusta la onda para que sea senoidal.

En los ejes provistos, dibuja la onda del CH.2.

CH.1

Dibujo de la onda 3.4

Observa la relación de fase del trazo del CH.2 (onda de la corriente) con

relación al trazo del CH.1 (voltaje de onda del inductor).

3.2a Considerando tu dibujo de la forma de la onda de la página anterior:

a la onda del voltaje adelanta a la onda de la corriente.

b la onda de la corriente adelanta a la onda del voltaje.

3.2b Una onda cuadrada de voltaje de entrada a un inductor de 100 mH produce una onda de corriente triangular de 10 mA pico a pico. La corriente pico a pico de un inductor de 200 mH sería de: a 5 mA b 10 mA c 15 mA d 20 mA


49


1. Una onda cuadrada de corriente de frecuencia f, que alimenta a un capacitor, produce una onda de voltaje triangular de 2 V pico a pico a través del capacitor. Para una frecuencia de 2 f, el valor pico a pico del voltaje será:

a 1 V b 2 V c 4 V d 8 V

2. Para un capacitor alimentado con corriente senoidal, el voltaje es máximo positivo

cuando la corriente es: a máxima positiva.

b máxima negativa.

c cero, en el trayecto en que la corriente aumenta negativamente.

d cero, en el trayecto en que la corriente aumenta positivamente.

3. Para un capacitor conectado a una fuente senoidal, la corriente: a está en fase con el voltaje.

b se encuentra en contrafase con el voltaje.

c se retrasa al voltaje por 90°.

d adelanta al voltaje por 90°.

4. Una onda cuadrada de voltaje de frecuencia f, que alimenta un inductor de 100 mH,

produce una onda de corriente triangular de valor de 2 mA pico a pico. Para un inductor de 50 mH y una frecuencia de 2f, el valor de cresta de la corriente para un voltaje de la misma magnitud será de:

a 1 mA b 2 mA c 4 mA d 8 mA

5. Para un inductor conectado a una fuente senoidal, la corriente: a está en fase con el voltaje.

b se encuentra en contrafase con el voltaje.

c se retrasa al voltaje por 90°.

d adelanta al voltaje por 90°.


50

Notas:

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 4 Capítulo 4 Alimentación de CA con carga exclusivamente capacitiva

51



Demostrar la dependencia de la reactancia capacitiva en la frecuencia y en la capacitancia.

Determinar el cambio de fase para un capacitor.

Determinar la capacitancia total de capacitores conectados en serie y en paralelo.

Determinar, por medio de mediciones y de cálculos, las caídas de voltaje en un circuito capacitivo en serie.

Realizar cálculos con base en la reactancia capacitiva.

Determinar las corrientes en capacitores en paralelo.

Diagnosticar una falla en un circuito capacitivo en serie.




52

El capacitor y las fuentes de CA En un circuito que disipa energía eléctrica, esto es, que la convierte en otra forma de energía (calor o luz, por ejemplo), a la relación del voltaje (V) a la corriente (I) se le denomina resistencia (R) del circuito. En un circuito que almacena energía, pero que no la convierte a otra forma, a la relación del voltaje (V) a la corriente (I) se le denomina reactancia (X) del circuito. Los capacitores y los inductores almacenan energía eléctrica, por lo que ambos tienen reactancia. La reactancia capacitiva (Xc) es inversamente proporcional a la frecuencia f, e inversamente proporcional a la capacitancia C. Xc = 1

2 fCπ

En el caso de una capacitancia pura en un circuito con una onda de entrada de forma senoidal, la corriente se adelanta al voltaje por 90°. Capacitores en paralelo Cuando se conectan los capacitores en paralelo, la capacitancia aumenta. Para dos capacitores C1 y C2 conectados en paralelo, la capacitancia total C es: C = C1 + C2 Capacitores en serie Cuando se conectan los capacitores en serie, la capacitancia se reduce. Para dos capacitores C1 y C2 conectados en serie, la capacitancia total es:

1C = 1

C1

C1 2+

El mayor voltaje se desarrolla a través del menor capacitor.


53

Ejercicio 4.1 Capacitancia pura en una fuente de CA

S . G .

1 . 5

1 . 3

1 . 1

1 . 6

1 . 4

1 . 2

1 . 7 1 . 9

1 . 8 1 . 1 0

1 . 1 8 1 . 2 0 1 . 2 2 1 . 2 4

1 . 1 2 1 . 1 4

1 . 1 9 1 . 2 1 1 . 2 3 1 . 2 5

1 . 3 1 1 . 3 2

1 . 3 0

1 . 2 7 1 . 2 9

1 . 2 6

1 . 2 8

1 . 1 6

1 . 1 7

1 . 1 1 1 . 1 3 1 . 1 5

R 2 1 k Ω

R 5 1 k Ω

R 6 2 . 2 k Ω

R 4 1 0 k Ω

R 3 3 . 3 k Ω C 1

4 7 0 n F

R 7 1 0 Ω

R 1 1 k Ω

C 3 1 0 0 n F

C 2 4 7 n F

C 4 2 2 n F

C 6 2 2 0 n F

C 5 1 0 0 n F

1 . 3 4

1 . 3 3

CIRCUIT # 1

Figura 4.1

Inserta conectores al Circuito #1 como se muestra en la Figura 4.1.

Configura el osciloscopio de la siguiente manera: El control de la base de tiempo a 0.2 ms/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 50 mV/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos a través del centro de la pantalla.

Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.17 y el CH.2 el enchufe 1.31.



..

R710Ω

V

To CH.1

To CH.2

C3100nF

1.1

1.26

1.31

1.17

Figura 4.2

A CH.2

GS

A CH.1


54

Variación de la reactancia capacitiva (Xc) con la frecuencia

Ajusta el generador de señales para que de una salida senoidal con una frecuencia de 500 Hz.

Ajusta el control de salida del generador de señales para obtener un trazo en

el CH.1 de 12 Vp-p (6 divisiones p-p) y observa la lectura del multímetro. Registra el valor en la primera línea de la Tabla 4.1, debajo del encabezado 'Multímetro.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 1.5 y 1.6, retira las

terminales del multímetro y ajústalo para medir hasta 20 mA CA.

Conecta las terminales del medidor a los enchufes 1.5 y 1.6 para medir la corriente del circuito y registra este valor en la primera línea de la Tabla 4.1, debajo del encabezado 'Corriente'.

Voltaje Reactancia

Osciloscopio Multímetro Capacitiva Xc

500 Hz 12 V p-p V mA kΩ

1 kHz 12 V p-p V mA kΩ

2 kHz 12 V p-p V mA kΩ

4 kHz 12 V p-p V mA kΩ Tabla 4.1

Aumenta la frecuencia, en pasos, a 1 kHz, 2 kHz y 4 kHz. En cada paso, observa la corriente del circuito para un trazo de 12 Vp-p en el CH.1. Registra estos valores en la Tabla 4.1. No utilices el medidor para medir el voltaje a estas frecuencias sino registra el valor previamente medido a 500 Hz.

Para cada grupo de lecturas, calcula el valor de la reactancia capacitiva Xc y

registra estos valores en la Tabla 4.1.

Xc = VI donde V= voltaje RMS

I = corriente RMS

Frecuencia Corriente


55

En los ejes provistos, dibuja la característica Reactancia capacitiva-Frecuencia.

4000

3000

2000

1000

01 2 3 4

X c ( ) Ω

Frecuencia(kHz)

Gráfica 4.1

4.1a Al variar la frecuencia, f, la reactancia capacitiva Xc es proporcional a:

a f b 1/f c f 2 d 1/ f 2

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................


56

Variación de la fase de la corriente al voltaje con respecto a la frecuencia

Con el control del CH.2 ajustado a 50 mV/Div, y la frecuencia ajustada a 1 kHz, analiza los trazos del CH.1 y del CH.2.

El trazo del CH.1 representa la onda de voltaje del capacitor y el trazo del

CH.2 representa la onda de la corriente. Observa la relación de fase entre los trazos obtenidos en el CH.1 y CH.2 y

compáralos con los siguientes ejemplos.

a b c d

Distinta a a), b) y c)

C H . 2

C H . 1

Figura 4.3

4.1b Establece qué diagrama representa mejor los trazos obtenidos.

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 2 kHz y observa nuevamente la relación de fase del CH.2 al CH.1 (corriente a voltaje).

Ajusta el control de la base de tiempo del osciloscopio a 50 µs/Div y después

repite el procedimiento para las frecuencias de 4 kHz y 8kHz. Con base en tus observaciones, responde lo que sigue:

4.1c La relación de fase de corriente a voltaje para una capacitancia pura con una alimentación senoidal es:

a la corriente y el voltaje están en fase y son independientes de la frecuencia.

b la corriente se retrasa al voltaje por 90°, y es independiente de la frecuencia.

c la corriente se adelanta al voltaje por 90°, y depende de la frecuencia.

d la corriente se adelanta al voltaje por 90°, y es independiente de la frecuencia.


57

Ejercicio 4.2 Variación de la reactancia capacitiva con la capacitancia

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.16

1.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 4.4

Inserta conectores en el Circuito #1 como se muestra en Figura 4.4.



operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 50 mV/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos a lo largo del centro de la pantalla.



..

R710Ω

V

To CH.1

To CH.2

C247nF

1.1

1.26

1.31

1.17

Figura 4.5

A CH.2

GS

A CH.1


58

Ajusta la salida del generador de señales a forma senoidal con frecuencia de 1 kHz y ajusta el control de salida para que el trazo obtenido en el CH.1 sea de 12 Vp-p (6 divisiones p-p).

Observa la lectura del multímetro y registra el valor en la primera línea de la

Tabla 4.2, debajo del encabezado 'Multímetro.

Retira las terminales del multímetro de los enchufes 1.1 y 1.26 y ajústalo para medir corriente hasta de 20 mA CA.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 1.32 y 1.30 e inserta el

multímetro para medir la corriente en el circuito. Anota el valor en la primera línea de la Tabla 4.2, debajo del encabezado 'corriente'.

Voltaje Reactancia

Osciloscopio Multímetro Capacitiva Xc

47 nF 12 V p-p V mA kΩ




Tabla 4.2

Retira el conector entre los enchufes 1.13 y 1.14 e insértalo entre los enchufes 1.15 y 1.16 para insertar el capacitor C3 de 100 nF en el circuito. Con la amplitud ajustada para un trazo de 12 Vp-p en el CH.1, observa la corriente y anota el valor en la segunda línea de la Tabla 4.2. No midas el voltaje con el medidor, sino anota el valor anterior.

Retira el conector entre los enchufes 1.15 y 1.16 y conecta un cable entre los

enchufes 1.15 y 1.27 para insertar el capacitor C6 de 220 nF en el circuito. Observa la corriente que fluye y anota el valor en la tercera línea de la Tabla 4.2.

Retira el cable que se encuentra entre los enchufes 1.15 y 1.27 y conéctalo

entre los enchufes 1.2 y 1.26 para insertar el capacitor C1 de 470 nF en el circuito. Observa la corriente que fluye y anota el valor en la última línea de la Tabla 4.2.

Capacitancia Corriente


59

Para cada grupo de lecturas, calcula la reactancia capacitiva Xc y anota los valores en la Tabla 4.2 de la página anterior.

Xc = VI donde V = voltaje RMS (Voltios)

Ι = corriente RMS (Amperios)

En los ejes provistos, dibuja la característica de la reactancia capacitiva (Xc)- capacitancia.

4000

3000

2000

1000

0

Xc( )Ω

Cap acitancia(nF)100 200 300 40 0 5 0 0

Gráfica 4.2

4.2a A partir de esta característica, el valor de la capacitancia para Xc = 1000 Ω para una frecuencia de 1 kHz es de aproximadamente: a 120 nF b 180 nF c 200 nF d 240 nF

4.2b A partir del análisis de esta característica, para una frecuencia fija, Xc es proporcional a: a C b 1/C c √C d 1/√C


60

Ejercicio 4.3 Capacitores en paralelo con alimentación CA

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.16

1.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 4.6

Inserta conectores de corto circuito y cables de conexión en el Circuito #1

como se muestra en la Figura 4.6 para conectar C3, C4 y C5 en paralelo.



.. V

C3100nF

C422nF

C5100nF

1.1

1.26 Figura 4.7

Ajusta el generador de señales para una onda senoidal de 1 kHz de frecuencia y ajusta el control de amplitud de salida para que el voltaje sea de 5 V, indicados por el multímetro.

GS


61

Retira el multímetro, ajustado para medición de corriente hasta de 20 mA CA.

Mide la corriente de alimentación y las corrientes en los capacitores C3, C4

y C5 retirando los conectores, uno a la vez, e insertando el multímetro. Anota los valores en la primera línea de la Tabla 4.3.

Retira el conector entre 1.15 y 1.16, y los cables entre 1.11 y 1.23 y entre

1.13 y 1.25, y conecta un cable entre 1.15 y 1.27 para conectar el capacitor C6 de 220 nF en el circuito. Mide la corriente de alimentación conectando el multímetro entre los enchufes 1.32 y 1.31. Anota el valor en la segunda línea de la Tabla 4.3.

Corrientes

Alimentación C3(100 nF) C4(22 nF) C5(100 nF)

C3, C4, C5 en paralelo 5 V mA mA mA mA

C6 (220 nF) 5 V mA

Tabla 4.3 Tus lecturas deben indicar, considerando las tolerancias de los capacitores, que C3, C4 y C5 en paralelo, son aproximadamente equivalentes a un solo capacitor con el valor de C6 (220 nF).

C6 = C3 + C4 + C5 Esta característica es similar a la de las resistencias conectadas en serie. La expresión general para los capacitores C1 y C2 conectados en paralelo que tienen un capacitancia equivalente C es:

C = C1 + C2

4.3a Un circuito contiene un solo capacitor con valor de 100 nF. Si se conecta un segundo capacitor en paralelo con el primero, la capacitancia total: a aumenta. b disminuye. c no cambia. d se divide en dos.

Circuito Voltaje


62

Ejercicio 4.4 Capacitores en serie con una fuente de CA

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22

1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.16

1.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 4.8

Inserta conectores en el Circuito #1 como se muestra en la Figura 4.8.



.. V

C3100nF

C5100nF

1.1

1.29 Figura 4.9

Ajusta la salida del generador de señales para una onda de forma senoidal de 1 kHz de frecuencia y ajusta el control de amplitud de salida para un voltaje de 5 V, indicados por el multímetro.

GS


63

Retira el multímetro, ajústalo para medir corriente hasta de 20 mA CA.

Mide la corriente de alimentación retirando el conector entre los enchufes 1.5 y 1.6, y conecta el multímetro entre ellos. Registra el valor en la primera línea de la Tabla 4.4.

Retira los conectores entre los enchufes 1.15 y 1.16 y entre 1.24 y 1.25, e

inserta conectores entre 1.13 y 1.14 y entre 1.28 y 1.29 para conectar el capacitor C2 de 47 nF en el circuito. Observa la corriente que fluye y registra el valor en la segunda línea de la Tabla 4.4.

Circuito Voltaje Corriente

C3 (100 nF), C5 (100 nF) en serie 5 V mA

C2 (47 nF) 5 V mATabla 4.4

Tus lecturas deben indicar, considerando las tolerancias de los capacitores, que C3 y C5 (cada uno de 100 nF) en serie, son aproximadamente iguales a un solo capacitor del valor de C2 (47 nF). Esta característica es similar a la de las resistencias conectadas en paralelo. La expresión general para la capacitancia total equivalente C de los capacitores C1 y C2 conectados en serie es:

1C = 1

C1

C1 2+

4.4a Un circuito contiene un solo capacitor con valor de 100 nF. Si se conecta un segundo capacitor en serie con el primero, la capacitancia total: a aumenta b disminuye c no cambia d se duplica


64

Ejercicio 4.5 Circuito de capacitor divisor de voltaje CA

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.261.28

1.16

1.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 4.10




.. V

C1470nF

C6220nF

1.3

1.29

C3100nF

Figura 4.11

Ajusta la salida del generador de señales para una onda senoidal de 1 kHz de frecuencia y ajusta el control de amplitud de la salida para que de un voltaje de 5 V leídos en el multímetro.

GS


65

Mide los voltajes individuales a través de los capacitores C1, C3 y C6 conectando el multímetro a los enchufes adecuados y anota los valores en la Tabla 4.5.

Voltaje

Alimentación C1 (470 nF) C3 (100 nF) C6 (220 nF)

C1,C3,C6 en serie 1 kHz 5 V V V V

Tabla 4.5

Configura un circuito con los capacitores de 470 nF, 47 nF y 100 nF en serie y ajusta la salida del generador de señales para una onda senoidal de 1 kHz de frecuencia y una amplitud de 5 V RMS (medidos con el multímetro). Mide el voltaje a través del capacitor de 47 nF.

Voltaje a través del capacitor de 47 nF =

4.5a Ingresa el voltaje a través del capacitor de 47 nF.

4.5b Para capacitores conectados en serie ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a El mayor voltaje se desarrolla a través del menor capacitor.

b El mayor voltaje se desarrolla a través del mayor capacitor.

c El menor voltaje se desarrolla a través del menor capacitor.

d Los voltajes a través de dos capacitores son siempre iguales.

FrecuenciaCircuito

V


66

Hoja de trabajo W2

La computadora de control ha introducido una falla en el siguiente circuito.

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.261.28

1.16

1.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 4.12

Conecta el circuito como se muestra arriba.

Ajusta la salida del generador de señales a una onda senoidal de 1 kHz y una amplitud de 5 Vrms (medidos con el multímetro).

Mide y registra el voltaje de alimentación y el voltaje a través de los capacitores C1, C3 y C6.

Voltaje

Alimentación C1 (470 nF) C3 (100 nF) C6 (220 nF)

C1,C3,C6 en serie 1 kHz V V V V

Tabla 4.6

Con base en las lecturas obtenidas, relaciona las posibles fallas que pudieran causar los síntomas que identifiques.

Lleva a cabo una o varias pruebas (medición de resistencia o pruebas de características con el osciloscopio) para confirmar tu diagnóstico.

Frecuencia Circuito Lecturas típicas


67


Informe







68


1. Las ondas de voltaje y corriente para un capacitor puro con una alimentación senoidal, están representados por:

V VVV

I

III

a b c d 2. ¿Cuál de las siguientes declaraciones es verdad para un capacitor? La reactancia Xc es: a proporcional a la frecuencia y a la capacitancia.

b proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la capacitancia.

c inversamente proporcional a la frecuencia y a la capacitancia.

d inversamente proporcional a la frecuencia y proporcional a la capacitancia.

3. Un capacitor tiene una reactancia de 200 Ω a una frecuencia de 1 kHz. Su reactancia a 4 kHz es:

a 50 Ω b 200 Ω c 800 Ω d 3200 Ω

4. Un capacitor de 0.1 µF tiene una reactancia de 100 Ω a una cierta frecuencia. La reactancia de un capacitor de 0.2 µF a la misma frecuencia es de:

a 25 Ω b 50 Ω c 200 Ω d 400 Ω 5. Un circuito contiene un solo capacitor. Si se conecta un capacitor idéntico en serie con

el primero, la capacitancia total: a aumenta. b se duplica. c se divide en dos. d se divide en cuatro. 6. Se conectan en paralelo dos capacitores de 120 nF y 240 nF. La capacitancia total es de: a 80 nF b 120 nF c 180 nF d 360 nF


69


7. Se conectan en serie dos capacitores de 120 nF y 240 nF. La capacitancia total es de: a 80 nF b 120 nF c 180 nF d 360 nF 8. Se conectan dos capacitores de 400 nF y 600 nF en serie a una fuente senoidal de 100

Hz. La caída de voltaje a través del de 400 nF es de 12 V. El voltaje de alimentación es de:

a 18 V b 20 V c 24 V d 30 V 9. Se conectan dos capacitores de 100 nF y 200 nF en paralelo a una fuente senoidal de 100

Hz. La corriente en el de 100 nF es de 20 mA. La corriente en el de 200 nF es: a 10 mA b 20 mA c 40 mA d 80 mA 10. Se conectan tres capacitores de 100 nF, 150 nF y 300 nF en paralelo a una fuente

senoidal de 100 Hz. La corriente en los 150 nF es de 6 mA. La corriente de alimentación es:

a 13 mA b 18 mA c 22 mA d 27 mA

Notas:

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...............................................................................................................................................................

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70

Notas:

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...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

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...............................................................................................................................................................

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D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 5 Capítulo 5 Alimentación de CA con carga puramente inductiva

71



Medir y calcular la reactancia inductiva.

Determinar el ángulo de fase en circuitos inductivos.

Deducir la inductancia total de inductores conectados en serie.

Determinar la inductancia total de inductores conectados en paralelo.

Determinar, por medio de medición y cálculo, las caídas de voltaje a través de inductores conectados en serie.

Diagnosticar fallas en circuitos inductivos en serie.


• Circuito #2 del Módulo de Circuitos de CA-1 D3000-1.2. • Conectores de corto circuito y cables de conexión. • Multímetro digital. • Generador de señales. • Osciloscopio.


72

El inductor y las fuentes de CA Ya que los inductores almacenan energía eléctrica, la relación de voltaje aplicado a corriente fluyendo en un inductor es la reactancia inductiva. La reactancia inductiva (XL) es proporcional a la frecuencia f y proporcional a la inductancia L. XL = 2πfL En una inductancia pura en un circuito con una entrada de onda de forma senoidal, la corriente se retrasa al voltaje por 90°. Inductores en serie La inductancia aumenta conectando inductores en serie. Para dos inductores L1 y L2 en serie, la inductancia total es: L = L1 + L2 El voltaje máximo se desarrolla en la inductancia de mayor valor. Inductores en paralelo La inductancia se reduce conectando inductores en paralelo. Para dos inductores L1 y L2 en paralelo, la inductancia total L puede derivarse de:

1L =

1L1 +

1L2


73

Notas:

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...............................................................................................................................................................

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74

Ejercicio 5.1 La inductancia en una fuente de CA

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22 2.24

2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 5.1




operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 0.1 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos a través del centro de la pantalla.



.. V

2.1

R1410Ω

To CH.1

To CH.2

2.15

2.31

L6100mH

2.29

Figura 5.2

A CH.2

A CH.1


75

Variación de la reactancia inductiva (XL) con la frecuencia

Ajusta el generador de señales para una salida senoidal de 500 Hz de frecuencia.

Ajusta el control de la salida del generador de señales para que el trazo

obtenido en el CH.1 sea de 12Vp-p (6 divisiones p-p) y observa la lectura del multímetro. Registra el valor en la primera línea de la Tabla 5.1 debajo del encabezado 'Multímetro'.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.32 y 2.30, retira las

terminales del multímetro y ajústalo para medir corriente hasta 20 mA CA.

Conecta las terminales del medidor a los enchufes 2.32 y 2.30 para medir la corriente del circuito y registra este valor en la primera línea de la Tabla 5.1 debajo del encabezado 'Corriente'.

Voltaje Reactancia

Osciloscopio Multímetro Inductiva XL

500 Hz 12 V p-p V mA Ω

1 kHz 12 V p-p V mA Ω

2 kHz 12 V p-p V mA Ω

4 kHz 12 V p-p V mA Ω Tabla 5.1

Aumenta la frecuencia, en pasos, a 1 kHz, 2 kHz y 4 kHz. En cada paso, observa la corriente del circuito para un trazo de 12 Vp-p en el CH.1. Registra estos valores en la Tabla 5.1. No utilices el medidor para medir el voltaje a estas frecuencias, sino registra el valor medido anteriormente a 500 Hz.

Para cada grupo de lecturas, calcula el valor de la reactancia inductiva XL.

XL = VI donde V= el voltaje RMS

I = la corriente RMS

Frecuencia Corriente


76

En los ejes provistos, dibuja la característica de la reactancia inductiva-frecuencia.

Frecuencia(kHz)

3 0 0 0

2 5 0 0

2 0 0 0

1 5 0 0

1 0 0 0

5 0 0

1 2 3 4

X ( )

L Ω

Gráfica 5.1

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77

Variación de la reactancia inductiva con la inductancia

Ajusta el control del CH.1 a 1 V/div, después ajusta el generador de señales a una frecuencia de 1 kHz y una amplitud que de un trazo de 6 Vp-p (6 divisiones p-p). Conecta el multímetro, ajustado para medir hasta 20 V CA, a los enchufes 2.1 y 2.29 y observa el voltaje. Registra el valor en la primera línea de la Tabla 5.2, debajo del encabezado 'Multímetro'.

Retira el conector entre 2.32 y 2.30, retira el multímetro, ajustado para medir corriente hasta 20 mA CA, y conéctalo entre los enchufes 2.32 y 2.30 para medir la corriente de la inductancia de 100 mH. Registra el valor en la primera línea de la Tabla 5.2, debajo del encabezado 'Corriente'. No utilices el medidor para medir el voltaje a esta frecuencia, pero registra el valor medido anteriormente medido a 100 mH.

Retira el conector entre los enchufes 2.26 y 2.27 e insértalo entre los enchufes 2.24 y 2.25. Para la misma amplitud de la entrada (que da un trazo de 6 Vp-p en el CH.1) observa la corriente que fluye a través de la inductancia de 68 mH. Registra el valor en la siguiente línea de la Tabla 5.2.

Ajusta el multímetro para medir hasta 200 mA CA, retira el conector que se

encuentra entre los enchufes 2.24 y 2.25 e insértalo entre 2.22 y 2.23. Ajusta el voltaje para que de un trazo de 6 V p-p en el CH.1 y observa la corriente que fluye en el inductor de 10 mH. Registra el valor en la última línea de la Tabla 5.2. No utilices el medidor para medir el voltaje para esta frecuencia, sino registra el valor previamente medido a 100 mH.

Voltaje Reactancia

Osciloscopio Voltímetro Inductiva XL

100 mH 6 V p-p V mA Ω

68 mH 6 V p-p V mA Ω

10 mH 6 V p-p V mA Ω Tabla 5.2

Calcula la reactancia inductiva para cada grupo de lecturas y anota los valores en la Tabla 5.2.

Inductancia Corriente


78

En los ejes provistos, dibuja la característica de la reactancia inductiva (XL)-inductancia.

800

600

400

200

0

X ( )

L Ω

Inductancia(mH)20 40 60 80 100

Gráfica 5.2

Analiza las características dibujadas en las Gráficas 5.1 y 5.2.

5.1a ¿Cuál de las siguientes declaraciones es verdadera? La reactancia inductiva es:

a proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la inductancia.

b inversamente proporcional a la frecuencia y a la inductancia.

c inversamente proporcional a la frecuencia y proporcional a la inductancia.

d proporcional a la frecuencia y a la inductancia.

5.1b El valor de la inductancia que tiene una reactancia de 200 Ω a 1 kHz es aproximadamente de: a 20 mH b 30 mH c 40 mH d 50 mH


79

Relación de fase de corriente a voltaje para un inductor

Conecta un inductor de 100 mH en el circuito y ajusta el control del CH.1 del osciloscopio a 2 V/div, y el control del CH.2 a 0.1 V/div. Ajusta la salida del generador de señales para que de una onda senoidal de 1 kHz de frecuencia y ajusta la amplitud para que el CH.1 de un trazo de 12 V p-p (6 divisiones p-p).

El trazo del CH.1 representa la onda de voltaje del inductor y el trazo del CH.2 representa la onda de corriente.

Observa la relación de fase entre el trazo del CH.2 al CH.1 y compárala con los ejemplos mostrados.

5.1c ¿Cuál de los siguientes diagrama representa mejor los trazos observados?

C H . 2

C H . 1

Distinta a a), b) y c)

a b c d

Figura 5.3

Ajusta la frecuencia, en pasos, a 2 kHz, 4 kHz y 8 kHz y a cada paso observa

si existe algún cambio en la relación de fase de los trazos del CH.1 y del CH.2. Ajusta los controles de amplitud y de base de tiempo del CH.2 según sea necesario para obtener trazos adecuados.

5.1d Con base en tus observaciones, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera? Las relaciones de fase de corriente a voltaje para un inductor son:

a la corriente y el voltaje están en fase y son independientes de la frecuencia.

b la corriente adelanta al voltaje por aprox. 90°, independiente de la frecuencia.

c la corriente se retrasa al voltaje por aprox. 90°, independiente de la frecuencia.

d la corriente se retrasa al voltaje por aprox. 90°, dependiente de la frecuencia.


80

Ejercicio 5.2 Inductores en serie con una fuente de CA

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22

2.24

2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 5.4




.. V

2.1

L268mH

L568mH

2.33

Figura 5.5

Ajusta el generador de señales para una salida senoidal de 1 kHz de frecuencia y ajusta la amplitud para que de un voltaje 5 V, indicado por el multímetro.

Retira el conector entre los enchufes 2.32 y 2.31, retira las terminales del multímetro y ajusta el medidor para medir corriente hasta 20 mA CA.

GS


81

Conecta las terminales del medidor a los enchufes 2.32 y 2.31 para medir la corriente del circuito para dos inductores de 68 mH conectados en serie y anota el valor en la primera línea de la Tabla 5.3 debajo del encabezado 'Corriente'.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.24 y 2.25, y conéctalo entre los enchufes 2.28 y 2.29 para formar un circuito con un inductor de 68 mH. Observa la corriente que fluye a un voltaje aplicado de 5 V y anota el valor en la segunda línea de la Tabla 5.3.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.13 y 2.14 e insértalo entre 2.15 y 2.16 para conectar un inductor de 100 mH en el circuito. Observa la corriente que fluye para un voltaje aplicado de 5 V y anota el valor en la Tabla 5.3.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.28 y 2.29 e insértalos entre 2.26 y 2.27 para conectar dos inductores de 100 mH en serie. Observa la corriente que fluye para un voltaje aplicado de 5 V y regístralo en la Tabla 5.3.

Repite el procedimiento para los circuitos con los inductores de 100 mH y 68 mH conectados en serie y también para los inductores de 100 mH y de 10 mH conectados en serie. Anota los valores en la Tabla 5.3.

Circuito Frecuencia Voltaje Corriente Reactancia inductiva

68 mH + 68 mH (en serie) 1 kHz 5 V mA Ω

68 mH 1 kHz 5 V mA Ω




100 mH + 10 mH (en serie) 1 kHz 5 V mA Ω Tabla 5.3

Calcula la reactancia inductiva XL para cada grupo de lecturas y anota los valores en la Tabla 5.3. Con base en tus resultados y sabiendo que la reactancia inductiva XL es proporcional a la inductancia L, responde la siguiente pregunta:

5.2a Un circuito contiene un solo inductor. Si se conecta un segundo inductor en serie con el primero, la inductancia total: a aumenta. b disminuye. c no cambia. d se divide en dos.


82

Ejercicio 5.3 Inductores en paralelo con una fuente de CA

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.132.15

2.16

2.18 2.20 2.22 2.24 2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 5.6

Inserta conectores en el Circuito #2 como se muestra en la Figura 5.6 e inserta un cable entre los enchufes 2.17 y 2.27 para conectar los dos inductores de 100 mH, L3 y L6, en paralelo.



..

2.1

L3100mH

2.33

L6100mHV

Figura 5.7

Ajusta el generador de señales para una salida senoidal de 1 kHz de frecuencia, y ajusta la amplitud para que de un voltaje de 5 V, indicado por el multímetro.

Retira el conector entre los enchufes 2.32 y 2.31, retira las terminales del multímetro y ajusta el medidor para medir una corriente hasta de 20 mA CA.

GS


83

Conecta las terminales del medidor a los enchufes 2.32 y 2.31 para medir la corriente del circuito para dos inductores de 100 mH conectados en paralelo y anota el valor en la primera línea de la Tabla 5.4 debajo del encabezado 'corriente'.

Retira el cable que se encuentra entre los enchufes 2.17 y 2.27 para formar

un circuito con un inductor de 100 mH y observa la corriente que fluye para un voltaje aplicado de 5 V. Anota el valor en la Tabla 5.4.

Inserta un conector entre los enchufes 2.13 y 2.14 para formar un circuito

con los inductores de 100 mH y de 68 mH en paralelo y observa la corriente para un voltaje aplicado de 5 V. Anota el valor en la Tabla 5.4.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.15 y 2.16 para

formar un circuito con un inductor de 68 mH y repite el procedimiento anotando el valor de la corriente en la Tabla 5.4.

Circuito Frecuencia Voltaje Corriente Reactancia inductiva XL

100 mH + 100 mH (en paralelo) 1 kHz 5 V mA Ω


100 mH + 68 mH (en paralelo) 1 kHz 5 V mA Ω

68 mH 1 kHz 5 V mA Ω Tabla 5.4

Calcula la reactancia inductiva XL para cada grupo de lectura y anota los valores en la Tabla 5.4. A partir de tus resultados y sabiendo que la reactancia inductiva XL es proporcional a la inductancia L, responde a la siguiente pregunta:

5.3a Un circuito contiene un solo inductor. Si se conecta un segundo inductor en paralelo con el primero, la inductancia total: a aumenta. b disminuye. c no cambia. d se duplica.


84

Ejercicio 5.4 División de voltaje con inductores en serie con alimentación de CA

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22

2.24

2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 5.8




..

2.1

L268mH

L568mH

2.33

.. V

Figura 5.9

Ajusta el generador de señales para una salida senoidal de 1 kHz de frecuencia y ajusta la amplitud para que de un voltaje de 5 V, indicados por el multímetro.

Mide el voltaje a través de cada inductor y anota los valores en la primera línea de la Tabla 5.5.

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 2 kHz y mide el voltaje en cada inductor para un voltaje de alimentación de 5 V. Anota estos valores en la segunda línea de la Tabla 5.5.

GS


85

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.13 y 2.14 e insértalo entre 2.15 y 2.16 para formar un circuito con los inductores de 100 mH y de 68 mH en serie. Ajusta la frecuencia a 1 kHz y repite el procedimiento observando el voltaje de cada inductor para un voltaje de alimentación de 5 V. Anota tus valores en la Tabla 5.5.

Retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.24 y 2.25 e insértalo entre 2.22 y 2.23 para formar un circuito con los inductores de 100 mH y de 10 mH en serie. Repite el procedimiento observando el voltaje en cada inductor para un voltaje de alimentación de 5 V. Anota tus valores en la Tabla 5.5.

Voltajes

Alimentación L2 (68 mH) L5 (68 mH) L3 (100 mH) L4 (10 mH)68 mH + 68 mH

en serie 1 kHz 5 V 68 mH + 68 mH



en serie 1 kHz 5 V

Configura un circuito con los inductores de 10 mH, 68 mH y 100 mH conectados en serie y mide el voltaje en la inductancia de 68 mH con el voltaje de alimentación a 5 V.

Voltaje a través de los 68 mH =

5.4a Anota el voltaje medido a través de la inductancia de 68 mH.

5.4b Para inductores conectados en serie a una fuente de CA, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a El mayor voltaje se presenta a través de la menor inductancia.

b El mayor voltaje se presenta a través de la mayor inductancia.

c El menor voltaje se presenta a través de la mayor inductancia.

d Los voltajes son dependientes de la frecuencia de alimentación.

V

Circuito Frecuencia

Tabla 5.5


86

Hoja de trabajo W3


R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22

2.24

2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 5.10


Ajusta el generador de señales para que de una salida senoidal de 1 kHz y 5

V RMS (medidos con el multímetro).

Mide y registra la corriente de alimentación y el voltaje a través de cada inductor.

Alimentación Voltaje

Corriente Voltaje L2 L5

Compara las lecturas con las obtenidas en los ejercicios 5.2 y 5.4.


87


Informe







88

Hoja de trabajo W4


R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20

2.22

2.24 2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 5.11


Ajusta el generador de señales para que de una salida senoidal de 1 kHz y 5

V RMS (medidos con el multímetro).

Mide y registra la corriente de alimentación y el voltaje a través de cada inductor.

Alimentación Voltaje

Corriente Voltaje L1 L2 L4


89


Informe



Respuesta a la falla: Ingresa la falla que hayas diagnosticado.




90


1. La relación de fase entre voltaje y corriente para una inductancia con una alimentación senoidal es:

V VVV

I

III

a b c d 2. La relación de fase entre corriente y voltaje para una inductancia pura con una

alimentación senoidal es: a la corriente está en fase con el voltaje.

b la corriente está en contrafase con el voltaje (180° de diferencia de fase).

c la corriente adelanta al voltaje por 90°.

d la corriente se retrasa al voltaje por 90°.

3. Un inductor tiene una reactancia de 200 Ω a una frecuencia de 1 kHz. Su reactancia a 4 kHz es:

a 50 Ω b 200 Ω c 800 Ω d 3200 Ω

4. Un inductor de 100 mH tiene una reactancia de 100 Ω a cierta frecuencia. La reactancia del inductor de 200 mH a la misma frecuencia es de:

a 25 Ω b 50 Ω c 200 Ω d 400 Ω 5. Un circuito contiene un solo inductor. Si se conecta un inductor idéntico en serie con el

primero, la inductancia total: a se divide en dos. b no cambia. c se duplica. d se cuadruplica. 6. Se conectan dos inductores de 120 mH y 240mH en serie. La inductancia total es: a 80 mH b 120 mH c 180 mH d 360 mH


91


7. Un circuito contiene un solo inductor. Si se conecta un inductor idéntico en paralelo con el primero, la inductancia total:

a se divide en dos. b no cambia. c se duplica. d se cuadruplica. 8. Se conectan en paralelo dos inductores de 120 mH y 240 mH a un suministro senoidal.

La inductancia total es de: a 80 mH b 120 mH c 180 mH d 360 mH 9. Se conectan en serie dos inductores de 100 mH y 200 mH. El voltaje a través de los 100

mH es de 12 V. La caída de voltaje a través de los 200 mH es: a 6 V b 12 V c 24 V d 36 V 10. Se conectan en serie dos inductores de 400 mH y 600 mH a una alimentación senoidal.

La caída de voltaje a través de los 400 mH es de 12 V. El voltaje de alimentación es de: a 18 V b 20 V c 24 V d 30 V

Notas:

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...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

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92

Notas:

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

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D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 6 Capítulo 6 Circuitos de resistencia y capacitancia con fuentes de CA

93



Determinar el ángulo de fase en circuitos RC en serie y en paralelo.

Determinar, por medición y cálculo, las caídas de voltaje en los circuitos RC en serie.

Determinar, por medición y cálculo, las corrientes en los circuitos RC en paralelo.

Determinar la impedancia y el ángulo de fase para los circuitos RC en serie.




94

Circuitos RC en serie y en paralelo con fuentes de CA Para los circuitos que tienen tanto resistencia eléctrica (transformación de energía) como reactancia eléctrica (almacenamiento de energía), la relación del voltaje aplicado a la corriente que fluye por todo el circuito se denomina impedancia del circuito. Circuitos RC en serie con fuentes de CA

VR VC

V

I

R C

Figura 6.1

El voltaje a través de la resistencia VR está en fase con la corriente. El voltaje a través del capacitor Vc se retrasa a la corriente por 90°. El voltaje de alimentación V es la suma de los fasores de VR y Vc. El valor del voltaje de alimentación V divido entre la corriente Ι es la impedancia del circuito, Z.

VR

Vc

I

VDiagrama de fasores

Figura 6.2

Z = VI

Z = R X + C2 2

V = V VR C + 2 2


95

Circuito RC en paralelo con fuentes CA

IR

IC

V

I

R

C

Figura 6.3

La corriente en la resistencia ΙR está en fase con el voltaje. La corriente en el capacitor Ιc adelanta al voltaje por 90°. La corriente de alimentación Ι es la suma de los fasores de ΙR e Ιc.

I R

IC

V

I

Diagrama de fasores

Figura 6.4

I = I IR C + 2 2


96

Ejercicio 6.1 Circuito de Resistencia-Capacitancia en serie con una fuente de CA

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18 1.20 1.22

1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 6.5


Conecta el multímetro, ajustado para medir hasta 20 V CA, a los enchufes

1.1 y 1.29. En la Figura 6.6 se muestra el circuito formado.

..

R710Ω

R21kΩ

V

To CH.1

To CH.2

1.1

1.29

1.17

C5100nF

1.28

Figura 6.6

A CH.2

GS

A CH.1


97

Ajusta el generador de señales para que de una salida senoidal de aproximadamente 1.6 kHz y ajusta el control de amplitud del generador de señales para que el voltaje de alimentación indicado por el multímetro sea de 5 V.

Conecta la terminal COM del multímetro al enchufe 1.28 y mide los voltajes

a través de C5 (terminal “V” en el enchufe 1.29) y de R2 (terminal “V” en el enchufe 1.9) y ajusta la frecuencia del generador de señales hasta que los voltajes sean iguales y observa los voltajes a través de C5 y R2.

Voltaje de alimentación = 5 V

Voltaje a través de C5 =

Voltaje a través de R2 =

Ajusta el multímetro para medir corriente hasta 20 mA CA, retira el conector entre los enchufes 1.32 y 1.30. Inserta el multímetro para medir la corriente I del circuito.

Corriente = Los voltajes a través de la resistencia y el capacitor se encuentran defasados 90° y su suma es igual al voltaje de alimentación. Construye el diagrama de fasores para el circuito, a escala, como se muestra en la Figura 6.7, dibujando Ι y VR horizontalmente y Vc verticalmente, utilizando la cuadrícula provista.

VR

V C V

Iφ

Diagrama de fasores

Figura 6.7

El valor del voltaje de alimentación V, obtenido del diagrama de fasores a escala, debe ser aproximadamente de 5 V.

V

V

mA


98

Con VR = Vc la reactancia del capacitor Xc iguala la resistencia R (Xc = 1 kΩ) y el ángulo ø será de 45°. A partir de las relaciones de un triángulo de 45°, el voltaje de alimentación V será de 2 x VR o 2 x Vc y la impedancia Z del circuito será de

2 x R = 1.4 kΩ.

Calcula la impedancia Z del circuito a partir de Z = VI

Impedancia del circuito Z = También calcula la impedancia Z a partir de:

Z = R + XC2 2

Z = La corriente I y los voltajes de la resistencia y el capacitor (VR y VC, respectivamente) están defasados 45° con relación al voltaje de alimentación V, la corriente I y el voltaje VR están en fase uno con otro y adelantan al voltaje de alimentación V por 45°, mientras Vc se retrasa al voltaje de alimentación por 45°. Estas relaciones de fase pueden verificarse de la siguiente forma:

Retira el multímetro y coloca nuevamente el conector entre 1.30 y 1.32.

Configura el osciloscopio de la siguiente manera: Control de la base de tiempo a 0.1 ms/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 2 V/div, entrada de CA Coloca ambos trazos a través del centro de la pantalla.


El trazo del CH.1 representa el voltaje de alimentación y el trazo del CH.2 representa el voltaje a través del capacitor. Los trazos deben ser aproximadamente los mostrados en la Figura 6.8.

kΩ

kΩ


99

15 divisiones pequeñas en medio ciclo

CH.1

C H . 2

Cambio de fase: 3.75 divisiones pequeñas

Figura 6.8

Cada trazo ocupa 3 divisiones mayores (15 divisiones menores) en el eje X para medio ciclo, que representa un cambio de fase de 180°. Por lo tanto, cada división menor representa 12°, consecuentemente, 45° están representados por 3.75 divisiones menores. Esto es difícil de calcular con precisión, pero puede verse que el cambio de fase es del orden de 45°.

Conecta el CH.2 del osciloscopio al enchufe 1.31 y ajusta el control de amplitud del CH.2 a 50 mV/Div para verificar la corriente del circuito. Observa la relación de fase y el ángulo de fase entre el voltaje de alimentación y la corriente.

Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.28 para verificar el voltaje y

la corriente del capacitor. Observa la relación de fase y el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente del capacitor.

Retira los conectores entre 1.7 y 1.8 y entre 1.24 y 1.25 e insértalos entre

1.15 y 1.16 y entre 1.18 y 1.19 para invertir las posiciones de la resistencia y el capacitor. Los trazos del CH.1 y del CH.2 ahora muestran el voltaje a través de la resistencia y la corriente. Observa la relación de fase y el ángulo de fase entre ellos.

Ahora obtendrás lecturas para condiciones con un triángulo rectángulo; los

lados de dicho triángulo tienen las proporciones 3 : 4 : 5.


100

Ajusta el medidor como multímetro para medir hasta 20 V CA y el voltaje de alimentación a 5 V. Conecta la terminal COM del multímetro al enchufe 1.26. Ajusta la frecuencia a aproximadamente 2 kHz para que el voltaje del capacitor, medido por el multímetro, sea de 3 V (terminal “V” en el enchufe 1.13). Mide el voltaje (VR) a través de la resistencia (terminal “V” en el enchufe 1.29) y anota el valor en la primera línea de la Tabla 6.1, junto con la frecuencia.

Con el voltaje de alimentación aún ajustado a 5 V, ajusta la frecuencia (a

aproximadamente 1.2 kHz) para que el voltaje del capacitor sea de 4 V. Mide el voltaje (VR) a través de la resistencia, nuevamente con la terminal COM conectada al enchufe 1.26, y anota el valor en la segunda línea de la Tabla 6.1, junto con la frecuencia.

Voltajes Frecuencia

V VC VR

5 V 3 V

5 V 4 V Tabla 6.1 Los voltajes deben tener aproximadamente una proporción de 3 : 4 : 5 para

cada grupo. Esto indica que los voltajes V, Vc, y VR, forman un triángulo rectángulo en cada caso.

Configura un circuito RC en serie con R = 3.3 kΩ y C = 22 nF. Ajusta la

frecuencia de la entrada a 1.5 kHz y 4.3 V. Ajusta la frecuencia para que el voltaje a través del capacitor sea de 3.5 V. Mide el voltaje a través de la resistencia.

Voltaje a través de la resistencia =

6.1a Introduce el voltaje medido a través de la resistencia.

V


101

Notas:

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...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

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102

Ejercicio 6.2 Circuitos Resistencia-Capacitancia en paralelo con una fuente de CA

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18

1.20 1.22

1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 6.9

Inserta conectores y cables en el Circuito #1 como se muestra en la Figura 6.9.


operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 50 mV/div, entrada de CA Coloca ambos trazos a través del centro de la pantalla.



..

R710Ω

R21kΩ

To CH.1

To CH.2

1.31

1.17

C3100nF

Figura 6.10

A CH.2

GS

A CH.1


103

Retira el cable que se encuentra entre los enchufes 1.8 y 1.31 y conecta entre ellos el multímetro, ajustado para medir hasta 20 mA CA, para medir la corriente en R2.

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 1.6 kHz y ajusta la amplitud

para que la corriente en R2 sea de 2 mA.

Retira el multímetro y el cable que se encuentra entre los enchufes 1.16 y 1.29. Conecta el multímetro, ajustado para medir corriente, entre los enchufes 1.16 y 1.29 e inserta un cable entre los enchufes 1.8 y 1.31. Si es necesario, ajusta la frecuencia para que la corriente en el capacitor C3 sea de 2 mA.

Verifica que la corriente a través de la resistencia sea de 2 mA, ajustando la

amplitud del generador de señales de ser necesario.

Mide la corriente de alimentación Ι entre los enchufes 1.30 y 1.32, anotando el valor en la primera línea de la Tabla 6.2, junto con la frecuencia.

Analiza los trazos del osciloscopio, el CH.1 representa el voltaje de

alimentación y el CH.2 representa la corriente de alimentación. Observa aproximadamente el cambio de fase entre la corriente y el voltaje y si la corriente se retrasa o se adelanta al voltaje. Anota el valor en la primera línea de la Tabla 6.2.

Corrientes Angulo de fase entre la I IR IC corriente y el voltaje de

alimentación

kHz mA 2mA 2mA

kHz mA 3mA 4mA

kHz mA 4mA 3mA Tabla 6.2

Repite el procedimiento ajustando la frecuencia a 2 kHz, la corriente de la resistencia a 3 mA y la frecuencia para que dé una corriente de 4 mA en el capacitor. Observa la corriente de alimentación y el cambio de fase aproximado entre la corriente y el voltaje de alimentación. Anota los valores en la siguiente línea de la Tabla 6.2.

Repite el procedimiento ajustando la frecuencia a 1.2 kHz, la corriente de la

resistencia a 4 mA y la frecuencia para que dé una corriente de 3 mA en el capacitor.

Frecuencia


104

La corriente en la resistencia está en fase con el voltaje de alimentación y la del capacitor adelanta al voltaje por 90°. La corriente de alimentación es la suma de los fasores de las dos corrientes. Nuevamente, el diagrama de fasores forma un triángulo rectángulo como el que se muestra en la Figura 6.11. Las lecturas en el ejercicio forman triángulos con lados de relaciones 1 : 1 : √2 y 3 : 4 : 5.

I

II

Vφ

C

R

Figura 6.11

En la cuadrícula anterior, construye el diagrama de fasores para el caso en que ΙR = 3 mA e Ιc = 4 mA, después mide, en tu diagrama, la corriente de alimentación y el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje de alimentación. Corriente de alimentación = Angulo de fase entre la corriente y el voltaje de alimentación =

Compara tus resultados con los anotados en la Tabla 6.2, línea 2.

Configura un circuito con una resistencia de 1 kΩ (R2) en paralelo con un capacitor de 470 nF (C1). Ajusta la entrada a una frecuencia de 1.65 kHz y la amplitud para que de una corriente de 13 mA en el capacitor y mide la corriente en la resistencia.

Corriente en la resistencia =

6.2a Introduce la corriente en la resistencia.


105


1. En un circuito RC conectado a una fuente de CA, cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a El voltaje a través del capacitor adelanta a la corriente de alimentación por 90°.

b El voltaje a través del capacitor adelanta al voltaje de alimentación.

c La corriente adelanta al voltaje de alimentación por un ángulo menor de 90°.

d La corriente se retrasa al voltaje de alimentación por un ángulo menor de 90°.

2. En un circuito RC en serie conectado a una fuente de CA, el voltaje a través de la resistencia y del capacitor es de 30 V y 40 V, respectivamente. El voltaje de alimentación es:

a 10 V b 50 V c 70 V d 90 V

3. Se conecta un circuito RC en serie con una fuente de 100 V CA. El voltaje a través de la resistencia es de 80 V. El voltaje a través del capacitor es de:

a 10 V b 20 V c 40 V d 60 V

4. Se conecta una resistencia de 50 Ω en serie con un capacitor que tiene una resistencia de 120 Ω a la frecuencia de alimentación. La impedancia del circuito es:

a 70 Ω b 130 Ω c 150 Ω d 170 Ω

5. Un circuito RC en serie conectado a una fuente de CA tiene una resistencia y una reactancia capacitiva de igual valor, a la frecuencia de alimentación. El ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de alimentación es:

a 30° b 45° c 60° d 90°

6. En un circuito RC en paralelo conectado a una fuente de CA, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a La corriente de alimentación adelanta al voltaje de alimentación por un ángulo menor de 90°.

b La corriente de alimentación se retrasa a la de la resistencia por un ángulo menor de 90°.

c La corriente de alimentación adelanta a la del capacitor por un ángulo menor de 90°.

d La corriente de alimentación se retrasa al voltaje de alimentación por un áng. menor de 90°.

Continúa ...


106


7. En un circuito RC en paralelo conectado a una fuente de CA, las corrientes en la resistencia y en el capacitor son de 6 mA y 8 mA, respectivamente. La corriente de alimentación es:

a 2 mA b 7 mA c 10 mA d 14 mA 8. Un circuito RC en paralelo conectado a una fuente de CA consume una corriente de

14.14 mA. La corriente en la resistencia es de 10 mA. La corriente en el capacitor es de: a 4.14 mA b 6.37 mA c 7.07 mA d 10 mA 9. Un circuito RC en paralelo conectado a una fuente de CA tiene una resistencia y una

reactancia capacitiva del mismo valor, a la frecuencia de alimentación. El ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de alimentación es:

a 30° b 45° c 60° d 90°

10. Se conecta una resistencia de 24 kΩ en paralelo a un capacitor, que tiene una reactancia de 10 kΩ, a la frecuencia de alimentación, a una fuente de 120 V CA. La corriente de alimentación es de:


Notas:

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

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D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 7 Capítulo 7 Circuitos de resistencia-inductancia con fuentes de CA

107



Determinar, por medición y cálculo, las caídas de voltaje en circuitos RL en serie.

Determinar el ángulo de fase en circuitos RL en serie.

Determinar, por medición y cálculo, las corrientes en circuitos RL en paralelo.

Determinar el ángulo de fase en circuitos RL en paralelo.

Diagnosticar fallas en circuitos RL en serie.




108

Circuitos RL en serie y en paralelo con fuentes de CA Circuitos RL en serie con fuentes de CA

VR VL

V

I

R L

Figura 7.1

El voltaje a través de la VR está en fase con la corriente. El voltaje a través del inductor VL adelanta a la corriente por 90°. El voltaje de alimentación V es la suma de los fasores de VR y VL. El valor del voltaje de alimentación V dividido entre la corriente Ι es la impedancia Z del circuito.

VR

VLV

I Figura 7.2

Z = VI

Z = R X + L2 2

V = V VR L + 2 2


109

Circuitos RL en paralelo con CA

IR

IL

V

I

R

L

Figura 7.3

La corriente en la resistencia ΙR está en fase con el voltaje. La corriente en el inductor ΙL se retrasa al voltaje por 90°. La corriente de alimentación Ι es la suma de los fasores de ΙR e ΙL.

IR

IL

V

II = I IR L + 2 2

Figura 7.4


110

Ejercicio 7.1 Circuitos de Resistencia-Inductancia en serie con una fuente de CA

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22 2.24

2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 7.5



Configura el osciloscopio de la manera siguiente: El control de la base de tiempo a 0.1 ms/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 2 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos a través de la parte central de la pantalla.



.. V

2.1

R1410Ω

R91kΩ

To CH.1

To CH.2

2.17

2.31

L6100mH

2.28

Figura 7.6

A CH.2

GS

A CH.1


111

Ajusta la salida del generador de señales a forma senoidal y a aproximadamente 1.4 kHz de frecuencia y ajusta el control de la amplitud para que el voltaje de alimentación indicado en el multímetro sea de 5 V.

Utilizando el enchufe 2.18 para la terminal COM del multímetro, mide con éste los voltajes a través de L6 y R9 y ajusta la frecuencia hasta que los voltajes sean iguales. Ajusta el voltaje de alimentación a 5 V y observa los voltajes a través de L6 y R9.

Voltaje de alimentación = 5 V

Voltaje a través de L6 =

Voltaje a través de R9 =

Ajusta el multímetro para medir una corriente hasta de 20 mA CA, retira el conector que se encuentra entre los enchufes 2.32 y 2.30 e inserta el multímetro para medir la corriente I del circuito.

Corriente =

Los voltajes a través de la resistencia y del inductor están defasados aproximadamente 90° y la suma de sus fasores iguala al voltaje de alimentación.

Construye el diagrama de fasores para el circuito, a escala, como se muestra en la Figura 7.7, dibujando Ι y VR horizontalmente y VL verticalmente, utilizando la cuadrícula proporcionada.

φ

VR

V L V

IDiagrama de fasores

Figura 7.7

El valor de V obtenido a partir del diagrama a escala de los fasores debe ser apenas menor de 5 V. Esto se debe a que la inductancia tiene alguna resistencia y de ahí que el voltaje VL adelante a la corriente por un ángulo menor a 90°.

Observa que si construiste un triángulo de voltaje V, VR, VL utilizando los valores medidos de voltaje, verás que VL no está a 90° de VR. Esto es debido a que el inductor contiene cierta resistencia.

V

V

mA


112

Si VR = VL, XL = R = 1 kΩ

Calcula la impedancia Z del circuito a partir de Z = VI

Impedancia Z del circuito =

También calcula la impedancia Z a partir de, Z = R + XL2 2

Impedancia Z =

Nuevamente habrá una pequeña discrepancia debida a la resistencia del inductor, pero los valores serán relativamente iguales.

La corriente I y los voltajes de la resistencia y del inductor (VR y VL, respectivamente) están defasados 45° con relación al voltaje de alimentación V. La corriente I y VR están en fase uno con otro y retrasados 45° con respecto al voltaje de alimentación V, mientras que VL adelanta al voltaje de alimentación por 45°.

Alinea los trazos del CH.1 y del CH.2 en el osciloscopio en el centro de la pantalla. El trazo del CH.1 representa el voltaje de alimentación V y el trazo del CH.2 representa el voltaje a través del inductor VL. Observa la relación de fase entre VL y V. VL debe adelantar a V por aproximadamente 45°.

Conecta el CH.2 del osciloscopio al enchufe 2.31 y ajusta el control de amplitud del CH.2 a 50 mV/div para revisar la corriente del circuito. Observa la relación de fase y el ángulo de fase entre el voltaje de alimentación V y la corriente I. La corriente debe estar retrasada por aproximadamente 45° con respecto al voltaje.

Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 2.28 para revisar la corriente y el voltaje en el inductor. Observa la relación de fase y el ángulo de fase entre el voltaje del inductor y la corriente I. La corriente debe retrasarse aproximadamente 90° con relación al voltaje VL del inductor.

Retira los conectores entre 2.7 y 2.8 y entre 2.26 y 2.27 e insértalos entre 2.15 y 2.16 y entre 2.20 y 2.21, para invertir las posiciones de la resistencia y del inductor. Ahora los trazos del CH.1 y del CH.2 muestran el voltaje VR a través de la resistencia y la corriente I. Observa la relación de fase y el ángulo de fase entre ellos. La corriente y el voltaje de la resistencia deben estar en fase uno con otro.

Retira las terminales del multímetro de los enchufes 2.32 y 2.30 y reemplázalas con un conector de corto circuito.

Ω

Ω


113

Ajusta el multímetro para medir hasta 20 V CA. Ajusta el voltaje de alimentación a 5 V. Ajusta la frecuencia (aproximadamente a 2 kHz) para que el voltaje del inductor sea de 4 V utilizando el enchufe 2.18 para la terminal COM del medidor. Mide el voltaje a través de la resistencia utilizando nuevamente el enchufe 2.18 para la terminal COM del medidor y anota el valor en la primera línea de la Tabla 7.1, junto con la frecuencia.

Con el voltaje de alimentación ajustado a 5 V, ajusta la frecuencia

(aproximadamente a 1.1 kHz) para que el voltaje del inductor sea de 3 V. Mide el voltaje a través de la resistencia y anota el valor en la segunda línea de la Tabla 7.1, junto con la frecuencia; utiliza nuevamente el enchufe 2.18 para la terminal COM del medidor.

Voltajes

V VL VR

kHz 5 V 4 V V

kHz 5 V 3 V V Tabla 7.1 Los voltajes deben ser de aproximadamente la relación de 3 : 4 : 5 para cada grupo, lo que indica que V, VL y VR forma un triángulo rectángulo en cada caso.

Configura un circuito RL en serie con R = 680 Ω (R12) y L = 100 mH (L3). Ajusta la frecuencia de entrada a 1.2 kHz y la amplitud a 4.0 V. Ajusta la frecuencia para que el voltaje a través del inductor sea de 3.0 V. Verifica que el voltaje de entrada sea de 4.0 V y ajusta la amplitud y la frecuencia según sea necesario para obtener 3.0 V a través del inductor, con una entrada de 4.0 V. Mide el voltaje a través de la resistencia. Utiliza el enchufe 2.20 para la terminal COM del medidor.

Voltaje a través de la resistencia R12 =

7.1a Introduce el voltaje medido a través de la resistencia.

Frecuencia

V


114

Ejercicio 7.2 Circuitos de Resistencia-Inductancia en paralelo con una fuente CA

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18

2.20

2.22 2.24

2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 7.8



operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 50 mV/div, entrada de CA Coloca ambos trazos a través del centro de la pantalla.


En la Figura 7.0 de muestra el circuito formado.

..

R1410Ω

R91kΩ

To CH.1

To CH.2

2.15

2.31

L3100mH

Figura 7.9

A CH.2

GS

A CH.1


115

Retira la terminal entre los enchufes 2.8 y 2.31 y conecta el multímetro ajustado para medir hasta 20 mA, entre los enchufes para medir la corriente en R9.

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 1.4 kHz y ajusta la amplitud para que la corriente en R9 sea de 2 mA.

Retira el multímetro y retira la terminal entre los enchufes 2.16 y 2.29. Conecta el multímetro entre los enchufes 2.16 y 2.29 e inserta una terminal entre los enchufes 2.8 y 2.31. De ser necesario, ajusta la frecuencia para que la corriente en el inductor L3 sea de 2 mA.

Verifica que la corriente a través de la resistencia sea de 2 mA, ajustando el control de amplitud de la señal de ser necesario y mide la corriente de alimentación Ι (entre los enchufes 2.32 y 2.30) y las corrientes entre la resistencia ΙR y el inductor ΙL. Anota los valores en la primera línea de la Tabla 7.2, junto con la frecuencia.

Analiza los trazos del osciloscopio, CH.1 representa el voltaje de alimentación y CH.2 representa la corriente de alimentación. Observa el cambio aproximado de fase entre la corriente y el voltaje y si la corriente se retrasa o adelanta al voltaje. Anota los valores en la primera línea de la Tabla 7.2.

Corrientes Angulo de fase entre la corriente

I ΙR ΙL y el voltaje de alimentación

kHz mA 2 mA 2 mA

kHz mA 3 mA 4 mA

kHz mA 4 mA 3 mA Tabla 7.2

Repite el procedimiento ajustando la frecuencia a 1.1 kHz y la corriente de la resistencia a 3 mA, ajustando la frecuencia para tener una corriente de 4 mA en el inductor. Después observa la corriente de alimentación y la diferencia aproximada de fase entre la corriente de alimentación y el voltaje. Anota los valores en la siguiente línea de la Tabla 7.2.

Repite el procedimiento ajustando la frecuencia a 2 kHz y la corriente de la resistencia a 4 mA, ajusta la frecuencia para que dé una corriente de 3 mA en el inductor.

La corriente en la resistencia está en fase con el voltaje de alimentación y la del inductor se retrasa al voltaje por aproximadamente 90°. La corriente de alimentación es la suma de los fasores de las dos corrientes. Nuevamente, el diagrama de fasores forma un triángulo rectángulo como el que se muestra en la Figura 7.4. Las lecturas en este ejercicio forman triángulos con lados con una relación de 1 : 1 : √2 y 3 : 4 : 5.

Frecuencia


116

φ I R

I L

V

I

Diagrama de fasores

Figura 7.10

Construye el diagrama de fasores para el caso de ΙR = 3 mA e ΙL = 4 mA. Mide la corriente de alimentación Ι, y el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje de alimentación. Corriente de alimentación =

Angulo de fase entre la corriente y el voltaje de alimentación = El valor de Ι determinado a partir del diagrama de fasores diferirá del valor medido, debido a la resistencia del inductor, esto hace que la corriente se retrase por un poco menos de 90° con respecto al voltaje. No obstante, deben ser relativamente iguales. De la misma manera, el valor de I calculado a partir de la siguiente expresión I = IR2 + IL2 diferirá ligeramente del valor medido.

Configura un circuito como el de la Figura 7.8. Ajusta la frecuencia de entrada a 850 Hz y la amplitud para que dé una corriente de 4 mA en el inductor, y mide la corriente en la resistencia.

Corriente a través de la resistencia =

7.2a Ingresa la corriente a través de la resistencia.

mA

mA


117

Notas:

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...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

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118

Hoja de trabajo W5


R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22 2.24 2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 7.11


Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 2.5 para supervisar el voltaje de alimentación, y el CH.2 al enchufe 2.31 para supervisar la corriente.

Ajusta el generador de señales a una forma senoidal de 1.4 kHz y salida de 5

V, (medidos con el multímetro).

Mide y registra los voltajes a través de R8 y L3 y observa el cambio de fase entre la corriente y el voltaje de alimentación. Utiliza el enchufe 2.7 para la terminal COM del medidor.

Voltaje Frecuencia

Alimentación L3 R8

Cambio de fase entre el voltaje y la corriente de alimentación

kHz V V V

Compara las lecturas con las obtenidas durante el Ejercicio 7.1. Relaciona las posibles fallas que pudieran provocar los síntomas que

identifiques. Deduce cuál es el componente defectuoso.


119

Lleva a cabo una o varias pruebas (medición de resistencia o prueba de características con el osciloscopio) para confirmar tu diagnóstico.

A continuación, registra y anota tu diagnóstico.

Informe


Naturaleza de la falla Razón del diagnóstico

Respuesta de falla: Ingresa la falla que hayas diagnosticado.




120

Hoja de trabajo W6


R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22 2.24 2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 7.12


Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 2.5 para supervisar el voltaje de alimentación, y el CH.2 al enchufe 2.31 para supervisar la corriente.

Ajusta el generador de señales a una forma senoidal de 1.4 kHz y salida de 5

V, (medidos con el multímetro).

Mide y registra los voltajes a través de R8 y L3 y observa el cambio de fase entre la corriente y el voltaje de alimentación. Utiliza nuevamente el enchufe 2.7 para la terminal COM del medidor.

Voltaje Frecuencia

Alimentación L3 R8 Cambio de fase entre el voltaje y

la corriente de alimentación

kHz V V V

Conecta el CH1 al enchufe 2.17 y observa el cambio de fase entre el voltaje del inductor y la corriente.


121

Cambio de fase entre el voltaje del inductor y la corriente =

Compara las lecturas con las obtenidas durante el Ejercicio 7.1. Relaciona las posibles fallas que pudieran provocar los síntomas que

identifiques. Deduce cuál es el componente defectuoso.

Lleva a cabo una o varias pruebas (medición de resistencia o prueba de características con el osciloscopio) para confirmar tu diagnóstico.

A continuación, registra y anota tu diagnóstico.

Informe


Naturaleza de la falla Razón del diagnóstico





122


1. En un circuito RL en serie conectado a una fuente de CA, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a El voltaje del inductor adelanta a la corriente de alimentación por 90°.

b El voltaje a través del inductor se retrasa a la corriente de alimentación por 90°.

c La corriente se adelanta al voltaje de alimentación por 90°.

d La corriente se adelanta al voltaje de alimentación por un ángulo menor a 90°.

2. En un circuito RL en serie conectado a una fuente de CA, el voltaje a través de la resistencia y del inductor es de 30 V y de 40 V, respectivamente. El voltaje de alimentación es:

a 10 V b 35 V c 50 V d 70 V

3. Un circuito RL en serie se conecta a una fuente de CA de 100 V. El voltaje a través de la resistencia es de 80 V. El voltaje a través del inductor es:

a 20 V b 40 V c 50 V d 60 V

4. En un circuito RL en serie, los voltajes a través de la resistencia y del inductor son de 80 V y 150 V, respectivamente. El voltaje de alimentación es:

a 70 V b 150 V c 170 V d 230 V

5. Un circuito RL en serie conectado a una fuente de CA tiene una resistencia y una reactancia inductiva de igual valor a la frecuencia de alimentación. El ángulo de fase entre el voltaje de alimentación y la corriente es de:

a 30° b 45° c 60° d 90°

6. En un circuito RL en paralelo conectado a una fuente de CA, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a La corriente de alimentación adelanta a la corriente del inductor por un ángulo menor a 90°.

b La corriente de alimentación adelanta a la de la resistencia por un ángulo menor a 90°.

c La corriente de alimentación adelanta al voltaje de alimentación por un ángulo menor a 90°.

d La corriente de alimentación se retrasa al voltaje de alimentación por 90°.


123


7. En un circuito RL en paralelo conectado a una fuente de CA, la corriente en la resistencia y en el capacitor es de 6 mA y 8 mA, respectivamente. La corriente de alimentación es:


8. Un circuito RL en paralelo conectado a una fuente de CA consume una corriente de 14.14 mA. La corriente en la resistencia es de 10 mA. La corriente en el inductor es:

a 4.14 mA b 6.37 mA c 7.07 mA d 10 mA

9. Un circuito RL en paralelo conectado a una fuente de CA tiene una corriente de 3 mA en la resistencia y de 4 mA en el inductor. El ángulo de fase entre el voltaje de alimentación y la corriente es de:

a 37° b 45° c 53° d 90°

10. Una resistencia de 80 Ω y un inductor con reactancia de 60 Ω a la frecuencia de alimentación se conectan en paralelo a una fuente de CA de 120 V. La corriente de alimentación es de:

a 0.5 A b 2.5 A c 3.0 A d 3.5 A

Notas:

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124

Notas:

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

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Capítulo 8 Circuitos de resistencia-inductancia-capacitancia con fuentes de CA

125



Reconocer los factores que determinan la frecuencia de resonancia de un circuito LC en serie.

Determinar corrientes y voltajes en un circuito LC en serie.

Reconocer el efecto del factor Q en un circuito resonante en serie.

Determinar las corrientes reactivas en un circuito LC en paralelo.

Reconocer los factores que afectan la frecuencia de resonancia de un circuito LC en paralelo.

Diagnosticar fallas en circuitos LC en serie y en paralelo.


• Circuitos #2 y #3 del Módulo de Circuitos de CA-1 D3000-1.2. • Conectores de corto circuito y cables de conexión. • Multímetro digital. • Generador de señales. • Osciloscopio completo con sondas X1 y X10.


126

Circuitos RLC en serie y LC en paralelo con fuentes de CA

Circuitos RLC en serie

V

I

XL

VCVLVR

XCR

φVR = IR

VC = IXC

VL = IXL

VL - VCV = IZ

I

Phasor DiagramCircuit Diagram

Figura 8.1

Con base en el diagrama de fasores, VR está en fase con la corriente, VL adelanta a la corriente por 90° y Vc se retrasa a la corriente por 90°. El voltaje de alimentación V es la suma de los fasores de estos voltajes.

V = I Z V = V + (V VR L - C2 2) Z = R + (X XL - C2 2)

El diagrama de fasores muestra que VL > Vc y que la corriente se retrasa a V.

Si VL = Vc, VR = V y la corriente está en fase con V, esta es la condición de resonancia.

Si VL < Vc la corriente adelanta a V.

Con valores fijos de L y de C, la frecuencia a la que ocurre la resonancia se conoce como frecuencia de resonancia fr. fr = 1

2 LCπ

A la frecuencia de resonancia: XL = Xc

Factor Q = VV

L = IXIR

L = XR

L = ωrLR donde ωr = 2π fr

También, factor Q = VV

C = 1CRrω

El ancho de banda es el rango de frecuencias en las cuales el valor de una característica excede el 70% de su valor máximo.

Ancho de banda = ∆f Factor Q = ffr

∆

Diagrama de fasores Diagrama del circuito


127

Circuitos LC en paralelo

IC IL

C LV

I

Circuit Diagram Phasor Diagram

IC

IL

V

Figura 8.2

La corriente del capacitor Ιc adelanta al voltaje por 90° y la corriente en un inductor puro ΙL se retrasa al voltaje por 90°. La corriente de alimentación Ι = ΙL - Ιc A la condición de resonancia ΙL = Ιc y la corriente Ι es teóricamente cero. fr = 1

2 LCπ

En la práctica, en un circuito LC en paralelo, donde el inductor tiene alguna resistencia inherente, Factor Q = ωrL

R = 1CRrω

Donde ωr = 2π fr y R es la resistencia de la bobina. La impedancia dinámica en las condiciones de resonancia, RD, es alta. RD = L

CR

Diagrama de fasoresDiagrama del circuito


128

Ejercicio 8.1 Circuito de Resistencia-Inductancia-Capacitancia en serie con una fuente de CA

S.G.

R15330Ω

R17100kΩ

R1810Ω

R1910kΩ

R1610kΩ

CIRCUIT # 3

3.7

3.8

3.9

3.3

3.2

3.1

3.6

3.4

3.5

3.11 3.13 3.15

3.10 3.12 3.14 3.16

3.183.20

3.22

3.17

3.19

3.21

3.23 3.24

3.27 3.26 3.25

3.29

3.28

MAX MIN

C7550pF

C81nF

L710mH

L8100mH

C9470pF

C101nF

Figura 8.3

Inserta conectores y cables como se muestra en la Figura 8.3.

Configura el osciloscopio de la siguiente manera: El control de la base de tiempo a 20 µs/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual.

Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 0.5 V/div, entrada de CA.

Ganancia del amplificador Y del CH.2 Y a 20 mV/div, entrada de CA.

Coloca ambos trazos sobre el centro de la pantalla.



129


..

3.1

3.28

L8100mH

R1810Ω

To CH.1

To CH.2

C101nF

C7550pF

3.3

3.22

Figura 8.4

La única resistencia en el circuito con este arreglo es la resistencia del inductor L8 y la resistencia R18 que se utiliza para demostrar la información de la fase.

Coloca el condensador C7 en su posición intermedia. Ajusta la salida del generador de señales a forma senoidal, frecuencia de 14 kHz y ajusta cuidadosamente la frecuencia hasta obtener la corriente máxima. Esta es la frecuencia de resonancia, a menudo representada como: fr. Ajusta la amplitud del generador de señales, hasta que el trazo de CH.1 sea de 2Vp-p.

Cuando el trazo en CH.2 alcanza su valor máximo la corriente está en fase con el voltaje. Esto representa la condición de resonancia en serie.

Ajusta la ganancia del amplificador del CH.2 a 0.5 V/div. Transfiere la entrada del CH.2 del enchufe 3.22 al 3.21, y transfiere los cables de los enchufes 3.10 y 3.25 a los enchufes 3.10 y 3.22, y los de 3.23 y 3.27 a 3.25 y 3.26.

Ajusta la frecuencia a 8 kHz y una amplitud de 2 Vp-p para el trazo del CH.1. Mide el voltaje pico a pico VC a través de los capacitores C10 y C7 (CH.2). Convierte los valores a RMS y anótalos en la primera línea de la Tabla 8.1.

Voltajes

CH.1 VP-P CH.1 VRMS VCRMS VLRMS

8 kHz V V mA

fr (~14kHz) 2 V 0.71 V V V mA

20 kHz V V mA

Tabla 8.1

Frecuencia Corriente RMS

A CH.2

GS

A CH.1


130

Retira el cable entre 3.25 y 3.26 y reemplázalo con un multímetro ajustado

para medir hasta 2 mA. Anota el valor en la primera línea de la Tabla 8.1. Retira el multímetro.

Retira el cable entre 3.7 y 3.8 y conéctalo entre 3.7 y 3.25. Después conecta

un cable entre 3.26 y 3.8. Ahora esto significa que la entrada del CH.2 supervisa el voltaje a través del inductor L8. Convierte la lectura pico a pico del voltaje a un valor RMS y anótalo en la primera fila de la Tabla 8.1.

Retira el cable entre 3.7 y 3.25 y entre 3.8 y 3.26. Conecta un cable entre 3.7

y 3.8 y entre 3.25 y 3.26. Ajusta la frecuencia del generador de señales a 14 kHz y modifica cuidadosamente la frecuencia hasta obtener el voltaje máximo (trazo de CH.2 en su máximo). Ajusta la amplitud a 2 Vp-p para el trazo del CH.1. Mide el voltaje pico a pico VC a través de los capacitores C10 y C7 (CH.2) ajustando la ganancia del amplificador del CH.2 según sea necesario. Mantén una alimentación de 2 Vp-p en el CH.1. Convierte la lectura a un valor RMS y anótalo en la segunda línea de la Tabla 8.1.

Retira el cable entre 3.25 y 3.26 y reemplázalo con el multímetro ajustado

para medir hasta 2 mA. Anota el valor en la segunda línea de la Tabla 8.1. Retira el multímetro.


un cable entre 3.26 y 3.8. Esto significa que ahora la entrada del CH.2 supervisa el voltaje a través del inductor L8. Ajusta la frecuencia del generador de señales con cuidado hasta obtener un voltaje máximo (trazo máximo del CH.2). Mantén una alimentación de 2 Vp-p en el CH.1. Convierte la lectura de voltaje pico a pico en un valor RMS y anótalo en la segunda fila de la Tabla 8.1.


y 3.8 y entre 3.25 y 3.26. Ajusta la frecuencia del generador de señales a 20 kHz y una amplitud de 2 Vp-p para el trazo del CH.1. Mide el voltaje p-p de VC a través de los capacitores C10 y C7 (CH.2) ajustando la ganancia del amplificador CH.2 según sea necesario. Convierte la lectura de voltaje p-p a un valor RMS y anótalo en la tercera línea de la Tabla 8.1.

Retira el cable entre 3.25 y 3.26 y reemplázalo con un multímetro ajustado

para medir hasta 2 mA. Anota el valor en la tercera línea de la Tabla 8.1. Retira el multímetro.


131


un cable entre 3.26 y 3.8. Ahora esto significa que la entrada del CH.2 supervisa el voltaje a través del inductor L8. Convierte la lectura de voltaje p-p en un valor RMS y anótalo en la tercera fila de la Tabla 8.1.

Retira el cable entre 3.7 y 3.25 y conéctalo entre 3.5 y 3.6 para conectar la resistencia de 330 Ω, R15, en serie con el circuito. Retira el cable entre 3.8 y 3.26 y conéctalo entre 3.25 y 3.26. Esta adición de la resistencia R15 simula un aumento de la resistencia del inductor.

Ajusta la frecuencia del generador de señales a 8 kHz y una amplitud de 2

Vp-p para el trazo del CH.1. Mide el voltaje p-p VC a través de los capacitores C10 y C7 (CH.2) ajustando la ganancia del amplificador del CH.2 según sea necesario. Convierte la lectura de voltaje p-p a un valor RMS y anótalo en la primera línea de la Tabla 8.2.

Retira el cable entre 3.25 y 3.26 y conecta un multímetro ajustado para medir

hasta 2 mA. Anota el valor en la primera línea de la Tabla 8.2. Retira el multímetro.

Voltajes

Frecuencia CH.1 VP-P CH.1 VRMS VCRMS VLRMS

Corriente RMS

8 kHz V V mA

fr (~14kHz) 2 V p-p 0.71 V V V mA

20 kHz V V mA

Tabla 8.2

Retira el cable entre 3.5 y 3.6 y conéctalo entre 3.5 y 3.25. Después conecta un cable entre 3.26 y 3.6. Ahora esto significa que la entrada del CH.2 supervisa el voltaje a través del inductor L8 (y R15). Convierte la lectura de voltaje p-p en un valor RMS y anótalo en la primera línea de la Tabla 8.2.


132

Retira el cable entre 3.5 y 3.25 y entre 3.6 y 3.26. Conecta un cable entre 3.5 y 3.6 y entre 3.25 y 3.26. Ajusta la frecuencia del generador de señales a 14 kHz y luego altera cuidadosamente la frecuencia hasta obtener el voltaje máximo (trazo de CH.2 en su máximo). Ajusta la amplitud hasta lograr 2 Vp-p para el trazo del CH.1. Mide el voltaje p-p VC a través de los capacitores C10 y C7 (CH.2) ajustando la ganancia del amplificador CH.2 según sea necesario. Ajusta el capacitor C7 para un voltaje máximo (trazo máximo del CH.2). Mantén una alimentación de 2 Vp-p del CH.1. Convierte la lectura p-p del voltaje a un valor RMS y anótalo en la segunda línea de la Tabla 8.2.

Retira la terminal entre 3.25 y 3.26 y conecta un multímetro ajustado para

medir hasta 2 mA. Anota el valor en la segunda línea de la Tabla 8.2. Retira el multímetro.


un cable entre 3.26 y 3.6. Ahora esto significa que la entrada del CH.2 supervisa el voltaje a través del inductor L8 (y R15). Ajusta la frecuencia del generador de señales un voltaje máximo (trazo máximo del CH.2). Mantén una alimentación de 2 Vp-p en el CH.1. Convierte la lectura de voltaje p-p en un valor RMS y anótalo en la segunda línea de la Tabla 8.2.


y 3.6 y entre 3.25 y 3.26. Ajusta la frecuencia del generador de señales a 20 kHz y una amplitud de 2 Vp-p para el trazo del CH.1. Mide el voltaje p-p VC a través de los capacitores C10 y C7 (CH.2) ajustando la ganancia del amplificador del CH.2 según sea necesario. Convierte la lectura de voltaje p-p en un valor RMS y anótalo en la tercera línea de la Tabla 8.2.

Retira el cable entre 3.25 y 3.26 y conecta un multímetro ajustado para medir

hasta 2 mA. Anota el valor en la tercera línea de la Tabla 8.2. Retira el multímetro.


un cable entre 3.26 y 3.6. Ahora esto significa que la entrada del CH.2 supervisa el voltaje a través del inductor L8 (y R15). Convierte la lectura de voltaje p-p a un valor RMS y anótalo en la tercera fila de la Tabla 8.2.

Analiza tus lecturas:

8 kHz: Vc debe exceder a VL 20 kHz: VL debe exceder a Vc fr (~14kHz): VL Vc, estos exceden a V.


133

Calcula el factor Q del circuito en resonancia para cada caso: Q = VV

C

Sin resistencia externa: Q =

Con 330 Ω de resistencia externa: Q =

Configura nuevamente el circuito como se muestra en la Figura 8.3. Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 3.3 y el CH.2 al enchufe 3.22. Ajusta la ganancia del amplificador del CH.2 a 20 mV/div. Varía la frecuencia del generador de señales en un rango de 12 kHz a 16 kHz y observa los trazos del CH.1 (voltaje de alimentación) y CH.2 (corriente) del osciloscopio.

Deberás observar que a 12 kHz, la amplitud del trazo del CH.2 es baja y adelanta al trazo del CH.1, la amplitud aumenta al aumentar la frecuencia y alcanza un valor máximo cuando los trazos del CH.1 y CH.2 se encuentran en fase. Un aumento mayor de la frecuencia hace que la amplitud del CH.2 disminuya y el trazo se retrase al CH.1.

La frecuencia a la cual el trazo del CH.2 es máximo y se encuentra en fase con el trazo del CH.1 es la frecuencia de resonancia. Con este procedimiento se ha supervisado el voltaje de alimentación y la corriente e indica el efecto de la variación de frecuencia debajo y arriba de la frecuencia de resonancia.

Ajusta la frecuencia a 14 kHz y modifícala hasta alcanzar la resonancia con un trazo del CH.1 (voltaje de alimentación) de 2 Vp-p. Observa la amplitud pico a pico del CH.2, ésta representa la corriente.

CH.2 p-p = divisiones

Ahora supervisaremos el voltaje y la corriente del capacitor utilizando el osciloscopio. Ajusta el control del CH.1 a 10 V/div y conéctalo al enchufe 3.21. Ahora el circuito estará fuera de resonancia. Ajusta la frecuencia hasta alcanzar la resonancia, esto es, máxima corriente, y observa nuevamente la amplitud p-p del CH.2:


La conexión del osciloscopio al capacitor para efectos de medición afecta al circuito, por lo que debe usarse una sonda con capacidad de x10 para obtener resultados precisos. Ajusta la sonda a su posición de x10 para usarla con el CH.1, y ajusta la ganancia del amplificador del CH.1 a 1 V/div. Ajusta la frecuencia hasta que haya resonancia y observa la amplitud p-p del CH.2:


Tus lecturas deben indicar que el uso de una sonda sin la capacidad x10 da una amplitud de corriente pico a pico reducida y con la sonda x10 en uso existe muy poco cambio.


134

Nota: Asegúrate que la el x10 de la sonda del osciloscopio se ajusta correctamente, de la siguiente manera:

Regresa la sonda del canal 1 del osciloscopio al enchufe 3.3, para supervisar la salida del generador de señales.

Con la amplitud del CH.1 ajustada a 1 V/div y la sonda en x1, ajusta la amplitud de la señal de entrada para que obtener un trazo de 4 divisiones p-p. Con la amplitud del CH.1 a 0.1 V/div y la sonda en x10, el trazo p-p debe ser el mismo. De ser necesario, ajusta el control de amplitud en la sonda para dar un trazo de 4 divisiones pico a pico.

Una vez más, conecta la sonda del canal 1 del osciloscopio al enchufe 3.21.

Con la amplitud del CH.1 ajustada a 2V/div, y la sonda del canal 1 ajustada en x10, varía la frecuencia de entrada en un rango de 12 kHz a 16 kHz y observa los trazos del CH.1 y del CH.2. Deberás observar que los trazos están desfasados 90°, la corriente, en el CH.2, adelantando al voltaje, el CH.1, para todas las frecuencias. También observa que la amplitud de los dos es máxima a la frecuencia de resonancia.

Ahora supervisaremos los voltajes de alimentación y del capacitor.

Ajusta el control de amplitud del CH.1 a 1 V/div y la sonda del canal 1 a x1, después conéctala al enchufe 3.3. Ajusta el control de amplitud del CH.2 a 1 V/div (la sonda en x10) y conéctala al enchufe 3.21.

Ajusta el generador de señales a 14 kHz y ajusta la frecuencia cuidadosamente hasta alcanzar la resonancia, esto ocurrirá cuando Vc es máximo y se encuentra atrasado 90º respecto a V. Ajusta la amplitud para un trazo de 2 Vp-p del CH.1.

Varía la frecuencia en un rango de 12 kHz a 16 kHz y observa los trazos del CH.1 (voltaje de alimentación) y CH.2 (voltaje del capacitor).

Deberás observar que a 12 kHz, Vc es pequeño y se encuentra en fase con V, a la frecuencia de resonancia Vc es máximo y se retrasa por 90° con respecto V, y a 16 kHz Vc es pequeño y se encuentra en contrafase (defasado 180°) con V.

Varía la frecuencia en un rango de 12 kHz a 16 kHz, por pasos, como se indica en la Tabla 8.3, ajustando el voltaje de alimentación a cada paso para dar un trazo de 2 divisiones p-p en el CH.1, observando el valor p-p (en divisiones) del trazo del CH.2 (éste representa el voltaje del capacitor, Vc). Anota los valores en la primera línea de la Tabla 8.3.

Repite las lecturas con la resistencia de 330 Ω, R15, insertada, retirando el conector entre 3.7 y 3.8 y colocándolo entre 3.5 y 3.6. Anota los valores en la segunda línea de la Tabla 8.3


135

Frecuencia 12 kHz 12.5 kHz 13 kHz 13.5 kHz 14 kHz 14.5 kHz 15 kHz 15.5 kHz 16 kHz

Vc p-p

Vc p-p

Tabla 8.3

En los ejes provistos, traza las características de Vc y de la frecuencia y estima el ancho de banda para cada uno de ellos, esto es, el rango de frecuencia en el cual la magnitud de la característica excede el 70% del valor máximo.

6

5

4

3

2

1

012k 16k15k14k13k

Vc(Div p-p)

Frecuencia(Hz)

Sin resistencia externa: Ancho de banda = Hz

Con resistencia externa de 330 Ω: Ancho de banda = Hz Nota: Si tienes disponible un contador de frecuencia, se puede determinar el

ancho de banda con precisión midiendo las frecuencias superior e inferior para las cuales el valor de Vc es 70% del valor máximo.

Asegúrate de regresar las dos sondas del osciloscopio a sus valores de x1 antes de continuar.

330Ω


136

La relación entre Inductancia, Capacitancia y Frecuencia de Resonancia Realiza las conexiones mostradas en la Figura 8.5 para formar un circuito con L8 y C8 en serie.

S.G.

R15330Ω

R17100kΩ

R1810Ω

R1910kΩ

R1610kΩ

CIRCUIT # 3

3.7

3.8

3.9

3.3

3.2

3.1

3.6

3.4

3.5

3.11 3.13 3.15

3.10 3.12 3.14 3.16

3.183.20

3.22

3.17

3.19

3.21

3.23 3.24

3.27 3.26 3.25

3.29

3.28

MAX MIN

C7550pF

C81nF

L710mH

L8100mH

C9470pF

C101nF

Figura 8.5


Control de la base de tiempo a 20 µs/div, selector de disparo a CA, operación de trazo dual.

Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 20 mV/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.


Con la amplitud del generador de señales ajustada para que de un trazo de 4 Vp-p en el CH.1, ajusta la frecuencia a su valor de resonancia, esto es, cuando los trazos del CH.1 (voltaje de alimentación) y del CH.2 (corriente) se encuentren en fase y observa la frecuencia de resonancia. Anota el valor en la primera línea de la Tabla 8.4.


137

Repite el proceso para las siguientes combinaciones de los componentes y anota los valores de la frecuencia de resonancia en la Tabla 8.4.

200 mH, 1 nF Conecta L3 en serie con L8 y C8. (conector entre 3.7 y 3.8). (Cables de conexión entre 2.16 y 3.15, 3.12 y 3.22, 2.26 y 3.16). 50 mH, 1 nF Conecta L3 y L8 en paralelo uno con otro y en serie con C8. (conectores entre 3.7 y 3.8, 3.15 y 3.16). (Cables de conexión entre 2.16 y 3.13, 3.12 y 3.22 y entre 2.26 y 3.17). 100 mH, 2 nF Conecta C8 y C10 en paralelo uno con otro y en serie con L8. (conectores entre 3.7 y 3.8, 3.15 y 3.16 y entre 3.19 y 3.20). (Cables de conexión entre 3.12 y 3.25). 100 mH, 0.5 nF Conecta C8 en serie con C10 y L8. (conectores entre 3.7 y 3.8 y 3.15 y 3.16). (Cables de conexión entre 3.12 y 3.20).

Componentes L C Frecuencia de

resonancia

L8, C8 100 mH 1 nF

L8, L3, C8 200 mH 1 nF

L8, L3, C8 50 mH 1 nF

L8, C8, C10 (en paralelo) 100 mH 2 nF

L8, C8, C10 (en serie) 100 mH 0.5 nF Tabla 8.4


138

A partir de tus observaciones durante este ejercicio, contesta las siguientes preguntas:

8.1a En un circuito LC en serie, a la frecuencia de resonancia, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera? a El voltaje del capacitor es máximo y la corriente es mínima.

b El voltaje del capacitor es máximo y la corriente adelanta al voltaje de alimentación por 90°. c El voltaje del capacitor es máximo y está en fase con el voltaje de

alimentación. d El voltaje del capacitor es máximo, la corriente es máxima y está en fase con

el voltaje de alimentación.

8.1b Un circuito LC en serie tiene una frecuencia de resonancia fr. Si se divide a la mitad el valor de la inductancia o de la capacitancia, el valor de la frecuencia de resonancia: a se duplica b aumenta a 2 x fr

c se divide en dos d se reduce a 0.7 x fr


139

Ejercicio 8.2 Circuitos de Inductancia-Capacitancia en paralelo con alimentación de CA con una fuente de baja impedancia

S.G.

R15330Ω

R17100kΩ

R1810Ω

R1910kΩ

R1610kΩ

CIRCUIT # 3

3.7

3.8

3.9

3.3

3.2

3.1

3.6

3.4

3.5

3.11 3.13 3.15

3.10 3.12 3.14 3.16

3.18 3.20 3.22

3.17 3.19

3.21

3.23 3.24

3.27 3.26 3.25

3.29

3.28

MAX MIN

C7550pF

C81nF

L710mH

L8100mH

C9470pF

C101nF

Figura 8.6




Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA.

Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 10 mV/div, entrada de CA.

Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.



140


.. L8100mH

R1910kΩ

To CH.1

To CH.2

C81nF

C7550pF

3.3

3.25

Figura 8.7

Ajusta el generador de señales a forma senoidal de 14 kHz y altera cuidadosamente la frecuencia hasta obtener un trazo mínimo en CH.2 (corriente mínima). El circuito se encuentra ahora en su estado de resonancia. Ajusta la amplitud del generador de señales hasta que el trazo obtenido en el canal 1 sea de 12 Vp-p (6 divisiones p-p).

Varía la frecuencia del generador de señales en un rango de 12 kHz a 16 kHz y observa los trazos del CH.1 del osciloscopio (voltaje de alimentación) y el CH.2 (corriente de alimentación).

Deberás observar que inicialmente el trazo del CH.2 se retrasa al CH.1. La amplitud del CH.2 disminuye al aumentar la frecuencia y alcanza un mínimo de aproximadamente cero a la frecuencia de resonancia, 14 kHz. Cualquier aumento posterior de la frecuencia hace que la amplitud del CH.2 aumente y se adelante al CH.1.

Ajusta la frecuencia a 8 kHz y la amplitud para que el trazo del CH.1 sea de 12 V p-p.

La corriente que fluye por R19 es igual a:

En A = CH.2 Vp - pR19

CH.2 Vp - p10k

(A)=Ω

En mA = CH.2 Vp - p10

(mA)

Mide el voltaje p-p del CH.2 y utilizando la ecuación anterior, calcula la corriente que fluye por R19, esto es la corriente I del circuito. Anota el valor (en mA) en la primera línea de la Tabla 8.5.

A CH.2

GS

A CH.1

GS


141

Desconecta los capacitores retirando los conectores entre 3.9 y 3.10 y entre

3.11 y 3.12. Mide el voltaje p-p del CH.2 y calcula la corriente IL que fluye por el inductor. Anota IL (en mA) en la primera línea de la Tabla 8.5.

Desconecta el Inductor colocando nuevamente los conectores entre 3.9 y

3.10 y entre 3.11 y 3.12, y retirando el conector entre 3.15 y 3.16. Mide el voltaje p-p del CH.2, calcula la corriente IC que fluye por el capacitor. Registra el valor de IC (en mA) en la primera línea de la Tabla 8.5.

Repite el procedimiento a la frecuencia de resonancia (14 kHz) y a 20 kHz,

anotando los valores en las otras dos líneas de la Tabla 8.5.

Corrientes

IP-P ILP-P ICP-P

8 kHz

fr (~14kHz) 4.2 V

20 kHz

Tabla 8.5 A partir de sus observaciones durante este ejercicio, contesta la siguiente pregunta:

8.2a En un circuito LC en paralelo, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera? a Debajo de la frecuencia de resonancia, la corriente del capacitor excede a la

del inductor. b Arriba de la frecuencia de resonancia, la corriente del inductor excede a la

del capacitor. c En la frecuencia de resonancia, la corriente de alimentación es mínima y se

retrasa con respecto al voltaje de alimentación por 90°. d En la frecuencia de resonancia, la corriente de alimentación es mínima y está

en fase con el voltaje de alimentación.

Frecuencia Voltaje VRMS


142

Ejercicio 8.3 Circuito de Inductancia-Capacitancia en paralelo con alimentación de CA con una fuente de alta impedancia

S.G.

R15330Ω

R17100kΩ

R1810Ω

R1910kΩ

R1610kΩ

CIRCUIT # 3

3.7

3.8

3.9

3.3

3.2

3.1

3.6

3.4

3.5

3.11 3.13 3.15

3.10 3.12 3.14 3.16

3.18 3.20 3.22

3.17 3.19

3.21

3.23 3.24

3.27 3.26 3.25

3.29

3.28

MAX MIN

C7550pF

C81nF

L710mH

L8100mH

C9470pF

C101nF

Figura 8.8




Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 0.1 V/div, entrada de CA, sonda ajustada a x10.

Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 0.1 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.


Ajusta el generador de señales a 14 kHz y de forma senoidal y altera la frecuencia hasta obtener un trazo de amplitud mínima en CH.2 (corriente mínima). Ajusta la amplitud del generador de señales hasta que el trazo obtenido en CH.1 sea de 6 Vp-p (6 divisiones p-p).

Ajusta C7 para obtener un trazo de amplitud mínima en CH.2, esto es, una

corriente mínima. El circuito se encuentra ahora en su estado de resonancia.


143

Verifica la relación de fase de la fuente de voltaje a la corriente. El voltaje de la fuente y la corriente deben estar en fase, mostrando que el circuito es puramente resistivo a frecuencia de resonancia.

Cambia el conector de CH.1 al enchufe 3.13.

En la Figura 8.9 se muestra el circuito formado 8.9.

.. L8100mH

R1910kΩ

R17100kΩ

To CH.1

To CH.2

C81nF

C7550pF

3.13

3.253.28

3.3

Figura 8.9

Varía la frecuencia del generador de señales en un rango de 12 kHz a 16 kHz, y observa los trazos del CH.1 y CH.2 del osciloscopio. Deberás observar lo siguiente:

12 kHz: La amplitud del CH.2 (corriente) es alta y se retrasa al CH.1 (voltaje del circuito LC). La amplitud del CH.1 es baja. fr (~14kHz): La amplitud del CH.2 es mínima y se encuentra en fase con el CH.1. La amplitud del CH.1 es máxima. 16 kHz: La amplitud del CH.2 es alta y adelanta al CH.1. La amplitud

e CH.1 es baja.

A CH.1

A CH.2

GS


144

Medición de la resistencia dinámica del circuito

Resistencia dinámica del circuito = Voltaje desarrollado a través del capacitor en paralelo y del inductor VLC divido entre la corriente I del circuito cuando el circuito se encuentra en resonancia.

Ajusta la frecuencia de nuevo a fr (~14kHz) y altera la frecuencia hasta

obtener el valor mínimo a través de R19 (resonancia) en el CH.2.

Mide el voltaje p-p (CH.1) en LC (recuerda tener en cuenta el ajuste a x10 de la sonda).

Voltaje p-p a través de LC, VLC =

Mide el voltaje p-p (CH.2 ) a través de R19. El CH.2 y el CH.1 también estarán en fase en resonancia.

Voltaje p-p a través de R19, VR =

Resistencia dinámica, RD = I

VLC =

R19VV

R

LC = R

LC

VV x 10 kΩ

RD = Respuesta a la frecuencia del circuito y ancho de banda

Si fuera necesario, reajusta la frecuencia hasta obtener las condiciones de resonancia, esto es, que el trazo del CH.2 sea mínimo y esté en fase con el trazo del CH.1.

Varía la frecuencia en un rango de 12 kHz a 16 kHz, en pasos, como se

indica en la Tabla 8.6, y observa el valor p-p (en divisiones) del trazo del CH.2 (que representa la amplitud del voltaje del circuito LC). Anota los valores en la Tabla 8.6 (recuerda tener en cuenta el ajuste a x10 de la sonda).

Frecuencia 12 kHz 12.5 kHz 13 kHz 13.5 kHz 14 kHz 14.5 kHz 15 kHz 15.5 kHz 16 kHz

VLC p-p Tabla 8.6


145

En los ejes provistos, traza las características de VLC y de la frecuencia y estima el ancho de banda, esto es, el rango de frecuencia en la cual la magnitud de la característica excede el 70% del valor máximo.

6

5

4

3

2

1

012k 16k15k14k13k

VLC

(Div p-p)

Frecuencia(Hz) Ancho de banda = Nota: Si tienes a la mano un contador de frecuencia, se puede determinar el ancho

de banda con precisión midiendo las frecuencias superior e inferior para las cuales el valor de VLC es 70% del valor máximo.


146

Inductancia, capacitancia y frecuencia de resonancia

Configura el osciloscopio de la siguiente manera: Control de la base de tiempo a 20 µs/div, selector de disparo a CA, operación

de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 0.1 V/div, entrada de CA, sonda

ajustada a x10. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.

Retira el conector que se encuentra entre 3.9 y 3.10 para formar un circuito con R17 en serie con la combinación de L8 y C8 en paralelo. Con la amplitud del generador de señales ajustada para obtener un trazo de 4 Vp-p en el CH.1 ajusta la frecuencia al valor de resonancia, esto es, cuando los trazos del CH.1 y del CH.2 se encuentren en fase y observa la frecuencia de resonancia. Anota el valor en la primera línea de la Tabla 8.7.

Repite el proceso para las siguientes combinaciones de componentes y anota

los valores de la frecuencia de resonancia en la Tabla 8.7. 200 mH, 1 nF Conecta L3 y L8 en serie uno con otro, en paralelo con C8. (Conectores entre 3.1 y 3.2, entre 3.11 y 3.12, entre 3.21 y 3.22 y entre 3.24 y 3.26) (Cables de conexión entre 2.16 y 3.15 y entre 2.26 y 3.16).

50 mH, 1 nF Conecta L3, L8 y C8 en paralelo. (Conectores entre 3.1 y 3.2, entre 3.11 y 3.12, entre 3.15 y 3.16, entre 3.21 y 3.22 y entre 3.24 y 3.26) (Cables de conexión entre 2.16 y 3.9 y entre 2.26 y 3.17)

100 mH, 2 nF Conecta L8, C8 y C10 en paralelo. (Conectores entre 3.1 y 3.2, entre 3.11 y 3.12, entre 3.15 y 3.16, entre 3.21 y 3.22 y entre 3.24 y 3.26) (Cables de conexión entre 3.9 y 3.20).

100 mH, C7 Máx Conecta C7 en paralelo con L8. (Conectores entre 3.1 y 3.2, entre 3.9 y 3.10, entre 3.15 y 3.16, 3.21 y 3.22 y entre 3.24 y 3.26).

10 mH, C7 Conecta C7 en paralelo con L7 (Máx y Mín) (Cables de conexión entre 3.1 y 3.2, entre 3.9 y 3.10, entre 3.13 3.14, entre 3.21 y 3.22 y entre 3.24 y 3.26).


147


resonancia

L8, C8 100 mH 1 nF

L8, L3, C8 200 mH 1 nF

L8, L3, C8 50 mH 1 nF

L8, C8, C10 100 mH 2 nF

L8, C7, máx 100 mH C7, máx

L7, C7 máx 10 mH C7, máx

L7, C7 mín 10 mH C7, mín Tabla 8.7 A partir de tus observaciones durante este ejercicio, contesta las siguientes preguntas:

8.3a En un circuito LC en paralelo conectado a una fuente de alta resistencia, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera? a El voltaje del circuito LC es máximo en resonancia y se retrasa con respecto

al voltaje de la fuente. b La impedancia del circuito LC es resistiva y de valor mínimo a la frecuencia

de resonancia. c El voltaje del circuito LC es máximo y se encuentra en fase con el voltaje de

alimentación en resonancia. d El voltaje del circuito LC es mínimo y se adelanta al voltaje de la fuente en

resonancia.

8.3b Un circuito LC en paralelo tiene una frecuencia de resonancia fr. Si se duplica el valor de la inductancia y se reduce la capacitancia a la mitad, el valor de la frecuencia de resonancia: a se duplica b aumenta a 2 x fr

c se divide en dos d no cambia


148

Hoja de trabajo W7


S.G.

R15330Ω

R17100kΩ

R1810Ω

R1910kΩ

R1610kΩ

CIRCUIT # 3

3.7

3.8

3.9

3.3

3.2

3.1

3.6

3.4

3.5

3.11 3.13 3.15

3.10 3.12 3.14 3.16

3.183.20

3.22

3.17

3.19

3.21

3.23 3.24

3.27 3.26 3.25

3.29

3.28

MAX MIN

C7550pF

C81nF

L710mH

L8100mH

C9470pF

C101nF

Figura 8.10


Configura el osciloscopio de la siguiente manera: Base de tiempo a 20 µs/div, selector de disparo a CA, operación de trazo

dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 20 mV/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.


Con el generador de señales ajustado para obtener un trazo de 4 Vp-p en el CH.1, ajusta la frecuencia a la frecuencia de resonancia. Anota la frecuencia de resonancia en la Tabla 8.8.

Repite el proceso para las siguientes combinaciones de componentes y anota los valores de la frecuencia de resonancia en la Tabla 8.8.


149


resonancia

L8, C8 100 mH 1 nF

L8, L3, C8 200 mH 1 nF

L8, L3, C8 50 mH 1 nF

L8, C8, C10 100 mH 2 nF

L8, C8, C10 100 mH 0.5 nF Tabla 8.8 200 mH, 1 nF Conecta L3 en serie con L8 y C8.

50 mH, 1 nF Conecta L3 y L8 en paralelo una con otra y en serie con C8.

100 mH, 2 nF Conecta C8 y C10 en paralelo uno con otro y en serie con L8.

100 mH, 0.5 nF Conecta C8 en serie con C10 y L8.

Compara tus lecturas con las obtenidas en el Ejercicio 8.1 y relaciona las posibles fallas que pudieran causar los síntomas que identifiques.

Efectúa una o varias pruebas (medición de resistencia o prueba de características con el osciloscopio) para confirmar tu diagnóstico.


Informe



Respuesta de falla: Introduce la falla que hayas diagnosticado.


Ahora que has terminado el ejercicio de fallas, la computadora de control la

ha retirado.


150

Hoja de trabajo W8


S.G.

R15330Ω

R17100kΩ

R1810Ω

R1910kΩ

R1610kΩ

CIRCUIT # 3

3.7

3.8

3.9

3.3

3.2

3.1

3.6

3.4

3.5

3.11 3.13 3.15

3.10 3.12 3.14 3.16

3.18 3.20 3.22

3.17 3.19

3.21

3.23 3.24

3.27 3.26 3.25

3.29

3.28

MAX MIN

C7550pF

C81nF

L710mH

L8100mH

C9470pF

C101nF

Figura 8.11



Base de tiempo a 20 µs/div, selector de disparo a CA, operación de trazo dual.

Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 0.1 V/div, entrada de CA, sonda

ajustada a x10. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.


Ajusta la salida del generador de señales a forma senoidal de 14 kHz y ajusta su amplitud para obtener un trazo de 6 Vp-p en el canal 1.

Varía la frecuencia y observa la frecuencia de resonancia

Frecuencia de resonancia =


151

Compara tus lecturas con las obtenidas en el Ejercicio 8.3 y relaciona las posibles fallas que pudieran causar los síntomas que identifiques.



Informe






ha retirado.


152

Hoja de trabajo W9


S.G.

R15330Ω

R17100kΩ

R1810Ω

R1910kΩ

R1610kΩ

CIRCUIT # 3

3.7

3.8

3.9

3.3

3.2

3.1

3.6

3.4

3.5

3.11 3.13 3.15

3.10 3.12 3.14 3.16

3.18 3.20 3.22

3.17 3.19

3.21

3.23 3.24

3.27 3.26 3.25

3.29

3.28

MAX MIN

C7550pF

C81nF

L710mH

L8100mH

C9470pF

C101nF

Figura 8.12




Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 0.1 V/div, entrada de CA, sonda ajustada a x10.

Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 0.1 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.


Ajusta el generador de señales a 14 kHz de forma senoidal y ajusta la salida para que el trazo obtenido en CH.1 sea de 6 Vp-p (6 divisiones p-p).

Cambia la conexión del CH.1 al enchufe 3.13 como en la Figura 8.9.


153

Varía la frecuencia y observa la frecuencia de resonancia

Frecuencia de resonancia = Compara tus lecturas con las obtenidas en el Ejercicio 8.3 y relaciona las posibles fallas que pudieran causar los síntomas que identifiques.



Informe






ha retirado.


154


1. En un circuito RLC en serie conectado a una fuente de CA, el voltaje a través del capacitor es de 20 V y el del inductor es de 100 V. ¿Cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a La frecuencia es menor a la de resonancia y la corriente retrasa al voltaje de alimentación.

b La frecuencia es menor a la de resonancia y la corriente adelanta al voltaje de alimentación.

c La frecuencia es mayor a la de resonancia y la corriente retrasa al voltaje de alimentación.

d La frecuencia es mayor a la de resonancia y la corriente adelanta al voltaje de alimentación.

2. Un circuito LC en serie tiene una frecuencia de resonancia de 5 kHz. Si se duplica la

capacitancia, la frecuencia de resonancia será aproximadamente de: a 2.5 kHz b 3.5 kHz c 7 kHz d 10 kHz 3. Un circuito LC en serie tiene una frecuencia de resonancia de 20 kHz. Si se reduce a la

mitad la inductancia, la frecuencia de resonancia será aproximadamente de: a 10 kHz b 14 kHz c 28 kHz d 40 kHz 4. Un circuito LC en serie tiene un factor Q de 20. A la frecuencia de resonancia, con el

voltaje de alimentación a 5 V, el voltaje a través del capacitor será de: a 5 V b 20 V c 100 V d 200 V 5. En un circuito RLC en serie con una fuente de CA, VR=20 V, VL=80 V y VC=65 V. El

voltaje de alimentación es: a 25 V b 35 V c 85 V d 165 V 6. Un circuito LC en serie tiene una cierta frecuencia de resonancia y un factor Q. Con

una resistencia conectada en serie con el circuito, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a Se reducen la frecuencia de resonancia y el factor Q.

b No cambian ni la frecuencia de resonancia ni el factor Q.

c La frecuencia de resonancia aumenta y el factor Q se reduce.

d No cambia la frecuencia de resonancia y el factor Q se reduce.


155


156


7. Un circuito LC en paralelo conectado a una fuente de CA tiene una corriente de 30 mA en el inductor y una de 40mA en el capacitor. La corriente de alimentación es:

a 10 mA b 35 mA c 50 mA d 70 mA 8. Se alimenta un circuito LC en paralelo desde una fuente de CA de 10 V RMS con una

resistencia de salida de 100 kΩ. A la frecuencia de resonancia, el voltaje a través del circuito es de 7.5 Vrms. La resistencia dinámica del circuito es:

a 25 kΩ b 75 kΩ c 300 kΩ d 750 kΩ 9. Un circuito LC en paralelo que tiene un capacitor de 100 nF resuena a 2 kHz. Se

conecta un capacitor de 100 nF en paralelo con el circuito. Ahora la frecuencia de resonancia es:

a 1 kHz b 1.4 kHz c 2.8 kHz d 4 kHz 10. Un circuito LC en paralelo que tiene una inductancia de 20 mH tiene una frecuencia de

resonancia de 10 kHz. Con una inductancia de 20 mH conectada en paralelo con el circuito, la frecuencia de resonancia será aproximadamente de:

a 5 kHz b 7 kHz c 14 kHz d 20 kHz

Notas:

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 9 Capítulo 9 Circuitos filtro de resistencia-inductancia y resistencia-capacitancia

157



Reconocer los factores que determinan la frecuencia de vértice (frecuencia de corte) de un filtro RC.

Determinar el voltaje de salida de un filtro RC.

Reconocer los factores que determinan la frecuencia de vértice de un filtro RL.

Determinar el voltaje de salida y la fase de un filtro RL.

Diagnosticar una falla en un circuito de filtro RC pasa baja.


• Circuitos #1 y #2 del Módulo de Circuitos de CA-1 D3000-1.2. • Conectores de corto circuito y cables de conexión. • Generador de señales. • Osciloscopio.


158

Filtros pasa baja y pasa alta de RL y RC

Entrada

R

RC

L

R

R

C

L

Filtros R-C y R-L de paso bajo

EntradaEntrada

EntradaSalida

Salida Salida

Salida

Filtros R-C y R-L de paso alto Figura 9.1

Los filtros pasa baja permiten el paso de señales con frecuencias más bajas y detienen aquellas con frecuencias más altas. Los filtros pasa alta permiten el paso de señales con frecuencias más altas y detienen aquellas con frecuencias menores. La frecuencia a la cual el voltaje de salida es 0.7 x el voltaje de entrada, se le conoce como frecuencia de vértice, fc. A esta frecuencia, el cambio de fase entre la salida y la entrada es de 45°. Las siguientes, son expresiones de la frecuencia de vértice para filtros RC y RL: fc = 1

2 CRπ

fc = R

2 Lπ

Filtros RC y RL pasa alta

Filtros RC y RL pasa baja


159

Ejercicio 9.1 Filtros de Resistencia-Capacitancia

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18

1.20 1.22

1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 9.2


Configura el osciloscopio de la siguiente manera: Control de la base de tiempo a 1 ms/div, selector de disparo a CA, operación

de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y CH.2 a 1 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.



.SG.

R11kΩ

To CH.1 To CH.2

C247nF

1.1 1.17

Figura 9.3

A CH.2

GS

A CH.1


160

Ajusta la salida del generador de señales a forma senoidal y 100 Hz.

Ajusta el control de amplitud del generador de señales para que el trazo obtenido en el CH.1 sea de 6Vp-p (6 divisiones p-p), éste representa la entrada al circuito filtro.

Observa la amplitud p-p del trazo del CH.2, éste representa la salida del circuito filtro. Anota el valor en la primera columna de la Tabla 9.1.

Repite el procedimiento para todo el rango de frecuencias, ajustando la frecuencia a los valores indicados en la Tabla 9.1 y registrando la salida para una entrada de 6Vp-p (6 divisiones p-p).

Ajusta la frecuencia para que la amplitud del trazo del CH.2 sea 0.7 de la entrada, esto es, 4.2 V p-p. Observa la frecuencia y anota el valor en la Tabla 9.1. Este representa la frecuencia de vértice del circuito.

Ahora, utilizando los trazos del CH.1 y CH.2, mide el cambio de fase y la relación de fase del CH.2 al CH.1 para las frecuencias de 100 Hz, la frecuencia de vértice y 100 kHz. Ajusta el control de la base de tiempo de forma adecuada y el control calibrar (Calibrate) para obtener medio ciclo en un espacio digamos de 18 divisiones pequeñas, de manera que cada división pequeña represente un cambio de fase de 10°. Esto permitirá estimar fácilmente el cambio de fase. Anota los valores en la Tabla 9.1.

Frecuencia 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz Componentes

Entrada (Vp-p) 6 6 6 6 6 R=1 kΩ Salida (Vp-p) 4.2 C=47 nF

Fase CH.2 a CH.1 Pasa baja

Tabla 9.1

Intercambia las posiciones de R y C retirando los conectores entre los enchufes 1.3 y 1.4 y entre 1.28 y 1.29 y colócalos entre 1.5 y 1.6 y entre 1.18 y 1.19. Conecta la entrada del CH.2 al enchufe 1.28. El circuito forma entonces un filtro pasa alta. Repite el procedimiento y anota los valores en la Tabla 9.2.


Entrada (Vp-p) 6 6 6 6 6 R=1 kΩ Salida (Vp-p) 4.2 C=47 nF

Fase CH.2 a CH.1 Pasa alta

Tabla 9.2


161

En los ejes provistos, dibuja las características de los filtros pasa baja y pasa alta.

6

5

4

3

2

1

010 100 1k 10k 100k 1M

Salida(V p-p)

Frecuencia(Hz)

Repite el procedimiento para los filtros RC pasa baja con los siguientes

valores de componentes: R = 1 kΩ y C = 100 nF (usando R2 y C5), R = 1 kΩ y C = 22 nF (usando R2 y C4) y R = 2 kΩ y C = 22 nF (usando R1, R2 y C4). Anota los valores en la Tabla 9.3.


Entrada (Vp-p) 6 6 6 6 6 Pasa baja Salida (Vp-p) 4.2 R=1 kΩ, C=100 nF

Frecuencia 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz Pasa baja Salida (Vp-p) 4.2 R=1 kΩ, C=22 nF

Frecuencia 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz Pasa baja Salida (Vp-p) 4.2 R=2 kΩ, C=22 nF

Tabla 9.3


162

En los ejes provistos, dibuja las curvas características.

6

5

4

3

2

1

0 1 0 1 0 0 1k 10k 100k 1 M

( V p - p )

Frecuencia(Hz)

Salida

A partir de tus observaciones durante el ejercicio, responde las siguientes preguntas:

9.1a En un filtro RC, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a El aumento de C y de R aumenta la frecuencia de vértice.

b El aumento de C y la reducción de R aumenta la frecuencia de vértice.

c La reducción de C y el aumento de R aumentan la frecuencia de vértice.

d La reducción de C y de R aumenta la frecuencia de vértice.

9.1b En un filtro RC pasa baja, la salida se toma a través de:

a la resistencia y la salida adelanta a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.

b la resistencia y la salida se retrasa a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.

c el capacitor y la salida adelanta a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.

d el capacitor y la salida se retrasa a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.


163

Ejercicio 9.2 Filtros de Resistencia-Inductancia

R81kΩ

R91kΩ

R114.7kΩ

R102.2kΩ

R1410Ω

R131kΩ

R12680Ω

2.5

2.3

2.1

2.33

2.6

2.4

2.2

2.32 2.31

2.30

2.7 2.9 2.11

2.8 2.10 2.12 2.14

2.13 2.15

2.16

2.18 2.20 2.22

2.24

2.26

2.19 2.21 2.23 2.25 2.27

2.29

2.28

2.17

L110mH

L268mH

L3100mH

L410mH

L6100mH

L568mH

2.34

CIRCUIT # 2

S.G.

Figura 9.4


Configura el osciloscopio de la siguiente manera: El control de la base de tiempo a 1 ms/div, selector de disparo a CA,

operación de trazo dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y CH.2 a 1 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.



.SG.

R91kΩ

To CH.1 To CH.2

2.1 2.28

L568mH

Figura 9.5

A CH.2

GS

A CH.1


164

Ajusta la salida del generador de señales a 100Hz y forma de onda senoidal.

Ajusta el control de salida del generador de señales para que el trazo obtenido en el CH.1 sea de 6 Vp-p (6 divisiones p-p), este representa la entrada al circuito filtro.

Observa la amplitud pico a pico del trazo del CH.2, este representa la salida del circuito filtro. Anota el valor en la primera columna de la Tabla 9.4.

Repite el procedimiento en todo el rango de frecuencias, ajustando la frecuencia a los valores indicados en la Tabla 9.4 y registra la salida para una entrada de 6 Vp-p (6 divisiones p-p).

Ajusta la frecuencia para que la amplitud del trazo del CH.2 sea de 0.7 de la entrada, esto es, 4.2 Vp-p. Observa la frecuencia y anota el valor en la Tabla 9.4. Este representa la frecuencia de vértice para el circuito.

Ahora, usando los trazos del CH.1 y del CH.2, mide el cambio de fase y la relación de fases del CH.2 al CH.1 para las frecuencias de 100 Hz, la frecuencia de vértice y 100 kHz. Ajusta el control de la base de tiempo a los valores adecuados y ajusta el control de calibración (Calibrate) para obtener una amplitud de medio ciclo de digamos 18 divisiones pequeñas, de forma que cada división pequeña represente un cambio de fase de 10°.

Esto permite estimar fácilmente el cambio de fase. Anota los valores en la Tabla 9.4.


Entrada (Vp-p) 6 6 6 6 6 R=1 kΩ Salida (Vp-p) 4.2 L=68 mH

Fase CH.2 a CH.1 Pasa alta

Tabla 9.4

Intercambia las posiciones de R y L retirando los conectores entre los enchufes 2.7 y 2.8 y entre 2.24 y 2.25 y colócalos entre 2.13 y 2.14 y 2.20 y 2.21. Ahora el circuito forma un filtro pasa baja. Repite el procedimiento y anota los valores en la Tabla 9.5.


Entrada (Vp-p) 6 6 6 6 6 R=1 kΩ Salida (Vp-p) 4.2 L=68 mH

Fase CH.2 a CH.1 Pasa baja

Tabla 9.5


165

En los ejes provistos, dibuja las características de los filtros pasa baja y alta.

6

5

4

3

2

1

0 1 0 1 00 1k 10k 1 0 0 k 1M

( V p - p )

Frecuencia(Hz)

Salida

Repite el procedimiento para los filtros RL pasa alta, con los valores de componentes:

R = 2 kΩ y L = 68 mH (usando R8, R9 y L5) y R = 1 kΩ y L = 136 mH (usando R8, L2 y L5).


Entrada (Vp-p) 6 6 6 6 6 Pasa alta Salida (Vp-p) 4.2 R=2 kΩ, L=68 mH

Frecuencia 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz Pasa alta Salida (Vp-p) 4.2 R=1 kΩ, L=136 mH

Tabla 9.6


166

En los ejes provistos, dibuja las curvas características.

6

5

4

3

2

1

0 1 0 1 0 0 1k 10k 100k 1 M

( V p - p )

Frecuencia(Hz)

Salida

A partir de tus observaciones durante el ejercicio, responde las siguientes preguntas:

9.2a En un filtro RL, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a El aumento de L y de R aumenta la frecuencia de vértice.

b El aumento de L y la reducción de R aumenta la frecuencia de vértice.

c La reducción de L y el aumento de R aumenta la frecuencia de vértice.

d La reducción de L y de R aumenta la frecuencia de vértice.

9.2b En un filtro RL pasa baja, la salida se toma a través de:

a la resistencia y la salida adelanta a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.

b la resistencia y la salida se retrasa a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.

c el inductor y la salida adelanta a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.

d el inductor y la salida se retrasa a la entrada por arriba de la frecuencia de vértice.


167

Hoja de trabajo W10


S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18

1.20

1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 9.6

Inserta conectores como se muestra arriba y conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.1 y el CH.2 a 1.28.

Configura el osciloscopio de la siguiente manera: Base de tiempo a 0.5 ms/div, selector de disparo a CA, operación de trazo

dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 1 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 1 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.

Ajusta la salida del generador de señales a 1 kHz senoidal y ajusta su amplitud para obtener un trazo de 6 Vp-p en el trazo del CH.1 como el del Ejercicio 9.1.

Ajusta la frecuencia del generador de señales para un trazo de 4.2 Vp-p en el CH.2 y observa esta frecuencia, la frecuencia de vértice para el circuito filtro.

Frecuencia de vértice =

Compara las lecturas con las obtenidas durante el Ejercicio 9.1. A partir de las lecturas obtenidas, relaciona las posibles fallas que pudieran

causar los síntomas que identifiques.



168


Informe






ha retirado.


169

Evaluación 9 del estudiante

1. Un filtro RC pasa baja que tiene una resistencia de 5 kΩ tiene una frecuencia de vértice de 8 kHz. Si se aumenta la resistencia a 10 kΩ, la frecuencia de vértice será de:

a 2 kHz b 4 kHz c 8 kHz d 16 kHz 2. Un filtro RC pasa baja que tiene una capacitancia de 100 nF tiene una frecuencia de

vértice de 8 kHz. Si se aumenta la capacitancia a 200 nF, la frecuencia de vértice será de:

a 2 kHz b 4 kHz c 8 kHz d 16 kHz 3. Un filtro RC pasa baja que tiene una resistencia de 1 kΩ y una capacitancia de 40 nF

tiene una frecuencia de vértice de 4 kHz. La frecuencia de vértice para un filtro que tenga una resistencia de 2 kΩ y una capacitancia de 20 nF será de:

a 2 kHz b 4 kHz c 8 kHz d 16 kHz 4. El voltaje de entrada a un circuito RC filtro pasa baja es de 10 V. El voltaje de salida a

la frecuencia de vértice es de: a 1 V b 5 V c 7 V d 10 V 5. Un filtro RL pasa baja que tiene una resistencia de 5 kΩ tiene una frecuencia de vértice

de 8 kHz. Si se aumenta la resistencia a 10 kΩ, la frecuencia de vértice será de: a 2 kHz b 4 kHz c 8 kHz d 16 kHz 6. Un filtro RL pasa baja que tiene una inductancia de 100 mH tiene una frecuencia de

vértice de 8 kHz. Si se aumenta la inductancia a 200 mH, la frecuencia de vértice será de:

a 2 kHz b 4 kHz c 8 kHz d 16 kHz 7. Un filtro RL pasa baja que tiene una resistencia de 1 kΩ y una inductancia de 40 mH

tiene una frecuencia de vértice de 4 kHz. La frecuencia de vértice para un filtro que tenga una resistencia de 2 kΩ y una inductancia de 20 mH será de:

a 2 kHz b 4 kHz c 8 kHz d 16 kHz 8. En un circuito filtro RL pasa alta, la fase de la salida con respecto a la entrada, a la

frecuencia de vértice está: a en fase b 45° retrasada c 45° adelantada d 90° retrasada


170

Notas:

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D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 10 Capítulo 10 El transformador

171



Identificar los devanados de un transformador y relacionar los voltajes de salida.

Interconectar devanados secundarios y determinar los voltajes sin carga.

Determinar los voltajes y corrientes bajo carga para diferentes configuraciones de devanados.

Analizar la capacidad de igualación de la impedancia de los transformadores.

Diagnosticar una falla en un circuito de transformador.


• Circuito #4 del Módulo de Circuitos de CA-1 D3000-1.2. • Conectores de corto circuito y cables de conexión. • Generador de señales. • Osciloscopio. • Multímetro digital.


172

Transformadores de elevación y de reducción En los transformadores reductores, el primario tiene un mayor número de vueltas que el secundario. En un transformador elevador, el primario tiene menos vueltas que el secundario. Voltaje, corriente y relaciones de vueltas La relación de voltajes es proporcional a la relación de vueltas entre los devanados primario y secundario. La relación de corrientes es inversamente proporcional a la relación de vueltas. V

V12

= TT

12

donde V1 = Voltaje primario

T1 = Vueltas del primario I1 = Corriente en el primario

II12

= TT

2

1 V2 = Voltaje en el secundario

T2 = Vueltas del secundario I2 = Corriente en el secundario VA (Voltaje x Corriente) del primario = VA del secundario V1 x Ι1 = V2 x Ι2 Igualación de impedancias La impedancia reflejada es proporcional al cuadrado de la relación de vueltas. Z1 = Z2 (

TT

12 )

2 donde Z1 = Impedancia en el

primario Z2 = Impedancia en el

secundario


173

Ejercicio 10.1 Características del transformador sin carga

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2

4.5

4.10 4.11 4.12

4.15 4.14

T1

4.13

4.16 4.17 4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7

4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

CH.1

CH.2

Figura 10.1

Inserta conectores en el Circuito #4 como se muestra en la Figura 10.1 e inserta un cable de conexión entre los enchufes 4.6 y 4.21.


Control de la base de tiempo a 0.2 ms/div, selector de disparo a CA, operación de trazo dual.

Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 2 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.


Ajusta la salida del generador de señales a onda seno con frecuencia de 1 kHz y ajusta la amplitud de salida para obtener un trazo de 10 Vp-p ( (5 divisiones p-p) en el CH.1.

Observa el voltaje p-p de la salida, representado por el trazo del CH.2 y su

relación de fase con el trazo del CH.1.


174

Voltaje del devanado N3: = Fase relativa al CH.1 =

Retira el cable de conexión del enchufe 4.21 y conéctalo al enchufe 4.15. Cambia la conexión del CH.2 al enchufe 4.11. Observa la amplitud del trazo del CH.2 y su relación de fase con el trazo del CH.1.

Voltaje del devanado N2: = Fase relativa al CH.1 =

Ahora efectúa las conexiones mostradas en los siguientes diagramas de conexión y observa en cada caso la amplitud del trazo del CH.2 y la relación de fase con el trazo del CH.1.

Nota: Para el trazo del CH.2, el control de amplitud del mismo debe estar

ajustado a 5 V/div.


175

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2

4.5

4.10 4.11 4.12

4.15 4.14

T1

4.13

4.164.17

4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7

4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

CH.1

CH.2

Figura 10.2

Voltaje del devanado N2 + N3 =

Fase relativa al CH.1 =


176

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2

4.5

4.10 4.11 4.12

4.15 4.14

T1

4.13

4.16 4.17 4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7

4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

CH.1

CH.2

Figura 10.3

Voltaje del devanado N3 - N2 =



177

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2

4.5

4.10 4.11 4.12

4.15 4.14

T1

4.13

4.16

4.174.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7

4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

CH.1

CH.2a

CH.2b

Figura 10.4 Devanado N2:

Voltaje CH.2a =


Devanado N3:

Voltaje CH.2b =



178

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2 4.5 4.10 4.11 4.12

4.15

4.14

T1

4.13

4.16

4.174.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7

4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

CH.1

CH.2d

CH.2c

Figura 10.5

Voltaje CH.2c =


Voltaje CH.2d =



179

Retira todos los conectores y cables de conexión del circuito y mide la resistencia de los devanados N1, N2 y N3 del transformador.

Resistencia del devanado primario N1 = Resistencia del devanado secundario N2 = Resistencia del devanado secundario N3 = La relación de vueltas de los devanados del transformador es N1: N2 : N3=2 : 2 : 1 Todos los devanados están arrollados utilizando alambre del mismo diámetro y cada devanado individual está arrollado sobre el devanado anterior. A partir de tus lecturas durante este ejercicio, contesta las siguientes preguntas:

10.1a El devanado arrollado más cerca del núcleo y el devanado adyacente son:

a N1 y N2 b N1 y N3 c N3 y N1 d N3 y N2

10.1b Con un voltaje de alimentación de 10 Vp-p a través del devanado N1 y con conectores entre los enchufes 4.5 y 4.10 y entre 4.15 y 4.16, el voltaje medido en el enchufe 4.21 debe ser:

a 5 Vp-p en fase con el de alimentación

b 5 Vp-p en contrafase con la alimentación

c 15 Vp-p en fase con el de alimentación

d 15Vp-p en contrafase con la alimentación.


180

Ejercicio 10.2 Características del transformador bajo carga

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2 4.5 4.10 4.11 4.12

4.15

4.14

T1

4.13

4.16

4.17 4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7 4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

Figura 10.6



Ajusta la salida del generador de señales a una frecuencia de 1 kHz y una

amplitud de 4 Vrms, medidos con el multímetro.

Utilizando el multímetro, observa los voltajes obtenidos en los devanados N2 y N3. Estos representan los voltajes de salida bajo carga para una entrada de 4 Vrms al primario N1.

Devanado N2, voltaje sin carga = Devanado N3, voltaje sin carga =

Retira el conector entre los enchufes 4.1 y 4.2.


181

Retira el multímetro, ajústalo para medir corriente hasta 20 mA CA. Conéctalo entre los enchufes 4.1 y 4.2 y observa la lectura del mismo, ésta representa la corriente en el primario, sin carga, obtenida del transformador.

Corriente sin carga del transformador (entrada de 4 Vrms) =

Inserta un conector entre los enchufes 4.17 y 4.18 para conectar una carga de 1 kΩ de resistencia al devanado secundario N3. Revisa que el voltaje de entrada sea de 4 V y ajústalo si es necesario. Mide la corriente en el primario para estas condiciones de carga y anótala en la Tabla 10.1.

Mide la corriente correspondiente en el secundario retirando el conector que

se encuentra entre 4.17 y 4.18, conectando el multímetro entre ellos y después insertando el conector entre 4.1 y 4.2. También mide el voltaje secundario a través del devanado N3. Anota los valores en la Tabla 10.1.

Primario (N1) Secundario (N3)

Voltaje Corriente Voltaje Corriente

4 V

Tabla 10.1 Observarás que el voltaje en el secundario, bajo carga, ha caído de su valor sin carga. Esto se debe a la caída de voltaje a través de la resistencia y a la fuga de reactancia en los devanados, que puede ser relativamente grande para transformadores pequeños.

Retira el conector entre 4.17 y 4.18 y conéctalo nuevamente entre 4.11 y 4.12 para conectar una carga al devanado secundario N2.

Repite el procedimiento de medición utilizando los devanados N1 y N2,

observando los valores de la corriente en el primario y voltaje y corriente en el secundario. Anota los valores en la Tabla 10.2.

Primario (N1) Secundario (N2)


4 V

Tabla 10.2


182

Inserta conectores entre 4.11 y 4.12 y entre 4.17 y 4.18 para que ambos secundarios tengan carga, pero con los circuitos aislados. Observa los voltajes y corrientes que fluyen en todos los devanados conectando el medidor a los enchufes adecuados. Asegúrate de establecer el rango correcto antes de conectar el medidor. Anota las lecturas en la Tabla 10.3.

Primario (N1) Secundario (N2) Secundario (N3)

Voltaje Corriente Voltaje Corriente Voltaje Corriente

4 V

Tabla 10.3 Calcula el valor Volt-amperios del primario utilizando la fórmula: Volt-amperios = Voltaje en el primario x corriente en el primario.

VA Primario = Calcula el valor total Volt-amperios del secundario utilizando la fórmula: Volt-amperios = Voltaje x corriente (N2) + Voltaje x corriente (N3).

VA Secundario = Nota: Usa los valores del voltaje, sin carga, para los devanados, no los valores

con carga de la Tabla 10.3. El principio del transformador depende de la corriente x el número de vueltas en los devanados, y el número de vueltas en los devanados no puede cambiar.

Retira los conectores entre 4.13 y 4.14 y entre 4.17 y 4.18 e insértalos entre

4.15 y 4.16 y entre 4.13 y 4.18. Conecta el multímetro, ajustado para medir hasta 20 mA CA, entre el enchufe 4.14 y la conexión central entre en el conector 4.13 - 4.18. El multímetro indica la suma de los fasores de las corrientes en los devanados N2 & N3. Anota el valor.

Corriente = El valor de la corriente debe ser igual a la diferencia entre las corrientes en

los devanados N2 & N3.

Retira el medidor. El circuito formado conecta los devanados N2 y N3 en serie y aplica una carga de R21 y R22 en serie a través de los dos devanados.


183

Con 4 V aplicados al devanado primario, observa los valores de los voltajes y corrientes del primario y del secundario y anota los valores en la Tabla 10.4.

Primario (N1) Secundario (N2 + N3)

Voltajes Voltaje Corriente

N2 N3 N2 + N3 R21 R22 Corriente

4 V

Tabla 10.4 A partir de tus observaciones durante este ejercicio, contesta las siguientes preguntas:

10V

8V

6V

21

R1 = 1kΩ

R2 = 1kΩ

I14V

Figura 10.7

10.2a En el circuito mostrado en la Figura 10.7, la corriente en el primario y la corriente I son de: a 10 y 2 mA b 10 y 14 mA c 10 y 7 mA d 14 y 2 mA

10.2b En el circuito mostrado en la Figura 10.7, con el conector 1-2 abierto, el voltaje y la corriente a través de R1 son de: a 8 V y 8 mA b 8 V y 7 mA c 7 V y 8 mA d 7 V y 7 mA


184

Ejercicio 10.3 Aplicación de los transformadores para igualación de impedancias

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2 4.5 4.10 4.11 4.12

4.15

4.14

T1

4.13

4.16

4.17 4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7 4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

V

Figura 10.8

Inserta conectores al Circuito # 4 como se muestra en la Figura 10.8.

Conecta el multímetro, ajustado para medir hasta 20 V CA, a los enchufes 4.5 y 4.6

Ajusta la salida del generador de señales a 1 kHz y el voltaje de salida a 4 V,

medidos con el multímetro.

Retira el multímetro y el conector entre 4.1 y 4.2. Ajusta el medidor para medir hasta 2 mA CA y conéctalo entre 4.1 y 4.2 para medir la corriente. Anota el valor en la primera línea de la Tabla 10.5.

Retira el conector entre 4.3 y 4.4 para insertar la resistencia de 1 kΩ en serie

con el devanado primario. Observa el cambio de la corriente y anota el valor en la segunda línea de la Tabla 10.5.

Retira el conector entre 4.17 y 4.18 y utilizando el multímetro ajustado para

medir hasta 2 kΩ, mide la resistencia de R22. Anota el valor en ambas líneas de la Tabla 10.5, debajo del encabezado “Impedancia del secundario”.


185

Primario Impedancia del

Voltaje Corriente Impedancia Secundario

4 V R20 en corto

4 V R20 en circuito Tabla 10.5

Calcula la impedancia del circuito primario, Z1 = VI para cada grupo de lecturas y

anota los valores en la Tabla 10.5. Los datos se refieren a un transformador con una relación de vueltas de 2 : 1.

Coloca nuevamente el conector entre los enchufes 4.3 y 4.4, para poner en corto nuevamente la resistencia R20.

Retira el conector entre 4.1 y 4.2 y conecta un cable entre los enchufes 4.15

y 4.2 y entre 4.10 y 4.1 para conectar los devanados N1 y N2 en serie para formar un transformador con una relación de vueltas de 4 : 1.

Coloca nuevamente el conector entre los enchufes 4.17 y 4.18, para que la

resistencia R22 se conecte nuevamente a través del devanado secundario N3.

Observa el nuevo valor de la corriente del primario, anotando dicho valor en la Tabla 10.6 que se encuentra abajo.

Copia el valor medido en la resistencia R22 de la columna “Impedancia del

secundario” en la Tabla 10.5, a la columna correspondiente de la Tabla 10.6.

Primario Impedancia del

Voltaje Corriente Impedancia secundario

4 V Tabla 10.6

Nuevamente, calcula la impedancia para el circuito primario, Z1 = VI . Anota

este valor calculado en la Tabla 10.6.

Examina la relación de impedancia del primario a impedancia del secundario para el transformador con una relación de vueltas de 2 : 1 (R20 en corto).


186

Compárala con la relación de la impedancia del primario contra la impedancia del secundario para el transformador con una relación de vueltas de 4 : 1. A partir de tus observaciones durante este ejercicio, contesta las siguientes preguntas:

10.3a Un transformador con una relación de vueltas de primario a secundario de 3:1 tiene una carga de 1 kΩ conectada al devanado secundario. La impedancia efectiva en el primario es de: a 1 kΩ b 3 kΩ c 9 kΩ d 12 kΩ

10.3b Se requiere un transformador para efectos de igualación de impedancias. La impedancia en el primario del transformador debe ser de 5 Ω cuando se conecta una carga de 125 Ω al devanado secundario. La relación de vueltas de primario a secundario debe ser de:

5 : 1 b 25 : 1 c 1 : 5 d 1 : 25

Notas:

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................................................................................................................................................................

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187

Notas:

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................................................................................................................................................................

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188

Hoja de trabajo W11


S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2 4.5 4.10 4.11 4.12

4.15

4.14

T1

4.13

4.16

4.17 4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7 4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

Figura 10.9

Conecta el circuito como se muestra en la Figura 10.9.

Ajusta la salida del generador de señales a 1 kHz senoidal y a una amplitud de 4 V, medidos con el multímetro.

Mide y registra el voltaje de alimentación, los voltajes a través de los

devanados N2 y N3, y la corriente de alimentación.

Alimentación

Voltaje Corriente N2 N3

Compara tus lecturas con las obtenidas en los Ejercicios 10.1 y 10.2 y relaciona las posibles fallas que pudieran causar los síntomas que identifiques.


189



Informe






ha retirado.


190

Hoja de trabajo W12


S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2 4.5 4.10 4.11 4.12

4.15

4.14

T1

4.13

4.16

4.17 4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7 4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

Figura 10.10

Conecta el circuito como se muestra en la Figura 10.10.

Ajusta la salida del generador de señales a 1 kHz senoidal y a una amplitud de 4 V, medidos con el multímetro.

Mide y registra el voltaje y corriente de alimentación y el voltaje y la

corriente del devanado secundario N3.

Alimentación N3


Compara tus lecturas con las obtenidas en los Ejercicios 10.2 y 10.3 y relaciona las posibles fallas que pudieran causar los síntomas que identifiques.


191



Informe






ha retirado.


192


1. Para un transformador de reducción, ¿cuál de las siguientes declaraciones es verdadera?

a El voltaje del secundario excede al primario.

b El voltaje del secundario es menor que el primario y la corriente en el secundario es menor que en el primario.

c El voltaje del secundario excede al primario y la corriente del secundario bajo carga excede a la del primario.

d El voltaje del secundario es menor que el primario y la corriente en el secundario bajo carga excede a la del primario.

2. Un transformador de reducción 3:1 tiene un voltaje primario de 12 V. El voltaje en el secundario es:

a 3 V b 4 V c 12 V d 36 V

3. Un transformador de reducción de 2:1 proporciona una salida de 4 A a 60 V. Los valores correspondientes al primario son:

a 30 V, 2 A b 30 V, 8 A c 120 V, 2 A d 120 V, 8 A

4. Un transformador de reducción tiene una relación de vueltas de 5:1. Si la corriente de salida es de 2.5 A, la corriente de entrada es:

a 12.5 A b 7.5 A c 2.5 A d 0.5 A

5. Un transformador de reducción de 120 V/15 V tiene 1000 vueltas en su devanado primario. El número de vueltas en el devanado secundario es de:

a 100 b 125 c 200 d 250

6. Un transformador con un primario de 120 V y dos secundarios proporciona salidas simultáneas de 30 V, 2 A y 12 V, 10 A. La corriente en el primario es:

a 0.5 A b 1.0 A c 1.5 A d 2 A

7. Un transformador con 2700 vueltas en el primario y 900 en el secundario tiene una resistencia de 500 Ω conectada al secundario. La impedancia referida al primario es:

a 56 Ω b 167 Ω c 1.5 kΩ d 4.5 kΩ

8. Se va a conectar un circuito que tiene una impedancia de salida de 9 kΩ a un circuito que tiene una impedancia de entrada de 40 Ω. La relación requerida de vueltas del transformador igualador es de:

a 15 : 1 b 25 : 1 c 125 : 1 d 225 : 1

D3000 Circuitos de CA – 1 Manual de Laboratorio Capítulo 11 Capítulo 11 Aislamiento con transformadores

193



Investigar los problemas involucrados al probar equipo que tiene un chasis que se encuentra con potencial superior al de tierra.

Investigar los problemas involucrados al utilizar instrumentos de prueba conectados a tierra para realizar mediciones en equipo conectado a tierra.

Reconocer las ventajas en aspectos de seguridad de utilizar un transformador de aislamiento como parte de un equipo o en un lugar de pruebas.


• Circuitos #1 y #4 del Módulo de Circuitos de CA-1 D3000-1.2. • Conectores de corto circuito y cables de conexión. • Generador de señales. • Osciloscopio. • Multímetro.


194

Riesgos de descargas eléctricas El mayor peligro de las descargas eléctricas proviene de la corriente que fluye al suelo a través del cuerpo humano cuando éste entra en contacto con cualquier elemento del equipo que se encuentra a un voltaje mayor que el de tierra. En algunos tipos de equipos eléctricos, es común que se use el chasis metálico como conductor común al que se conectan los componentes de los circuitos. Por lo tanto, el chasis es parte del circuito eléctrico, y consecuentemente debe tratarse como un componente por el que pasa corriente. Cuando se prueba o se le da servicio a algún equipo, puede ser necesario conectarlo a la red pública de energía eléctrica referida a tierra y con la alimentación encendida. Si el técnico que da servicio al equipo tocara accidentalmente el chasis, completaría un circuito a tierra y recibiría una descarga eléctrica. (Figura 11.1a)

Flujo de la corriente

Tierra

Tierra

Chasis metálico

Superficie aterrizada

Clavija de CA

Sistema de potencia de

CA

Figura 11.1a

CA CA

Superficie conectada a

tierra.


195

Para evitar la posibilidad de recibir una descarga eléctrica, que podría ser fatal, se utiliza un transformador de aislamiento para aislar el circuito en el que el técnico esté trabajando de la fuente de energía eléctrica referida a tierra. El circuito aislado no tiene voltaje referido a tierra, por lo que no puede fluir corriente del circuito a través del chasis y el técnico hacia tierra. (Figura 11.1b). El transformador de aislamiento está arrollado con un mismo número de vueltas en el primario y en el secundario, por lo que el voltaje de salida es igual al de entrada. El circuito es por lo tanto capaz de recibir el voltaje, la corriente y la alimentación, como si el transformador no estuviera en el circuito.


Tierra

Tierra

Superficie aterrizada

Clavija de CA

Sistema de potencia de

CA

Transformador de aislamiento


Figura 11.1b

CA CA

Superficie conectada a

tierra.


196

Uso del osciloscopio para medir ondas Muchos osciloscopios tienen la caja metálica y las conexiones externas de las terminales de entrada conectadas a tierra para seguridad del usuario. Si el equipo bajo prueba también está conectado a tierra, la conexión de tierra del osciloscopio debe hacerse de forma que exista una referencia de tierra común. Si se conecta el osciloscopio a través de un componente de manera que no exista una tierra común de referencia provocará un corto circuito a través de otra parte del circuito. Esto causará lecturas incorrectas y la posibilidad de dañar e incluso destruir componentes del circuito.

R 2

R 1

..

R 2

R 1

..

R 2

R 1

..

( A ) ( B )

( C )

Scope Ground

Scope Ground

Scope Ground

Scope Input

Scope Input

Scope Input

Figura 11.2

Con las conexiones del osciloscopio como se muestra en la Figura 11.2a y la Figura 11.2b las ondas del circuito se medirán correctamente, ya que la tierra del equipo y del osciloscopio se encuentran conectadas una a otra. En el ejemplo de la Figura 11.2c, la conexión de tierra del osciloscopio ha creado un corto circuito a través de R2 ya que ambos extremos están conectados a tierra. Esto cambia las características del circuito y la onda desplegada en el osciloscopio será incorrecta.

Conexión de entrada

Conexión de tierra


Conexión de tierra


Conexión de tierra

GS

GS GS


197

Para que sea posible medir ondas a través de cualquier componente en un circuito, se utiliza un transformador de aislamiento para aislar los componentes del circuito de la fuente. En el circuito mostrado en la Figura 11.3, las resistencias R1 y R2 han sido aisladas de la fuente por medio de un transformador de aislamiento. El circuito aislado no tiene un punto de referencia de tierra y el voltaje de alimentación a través de R1 y R2 no está referido a tierra. Ahora se puede conectar un instrumento de prueba conectado a tierra, como un osciloscopio, a R1 o a R2 para medir las ondas sin poner en corto circuito un componente alterando entonces las características del circuito.

R1

R2

Circuito aislado

Figura 11.3


198

Ejercicio 11.1 Análisis de ondas en una red de resistencias conectada a tierra utilizando un osciloscopio conectado a tierra Ahora analizaremos el circuito sencillo de la Figura 11.2 utilizando los componentes del Circuito #1.

S.G.

1.5

1.3

1.1

1.6

1.4

1.2

1.7 1.9

1.8 1.10

1.18

1.20 1.22 1.24

1.12 1.14

1.19 1.21 1.23 1.25

1.311.32

1.30

1.27 1.29

1.26

1.28

1.161.17

1.11 1.13 1.15

R21kΩ

R51kΩ

R62.2kΩ

R410kΩ

R33.3kΩC1

470nF

R710Ω

R11kΩ

C3100nF

C247nF

C422nF

C6220nF

C5100nF

1.34

1.33

CIRCUIT # 1

Figura 11.4


Configura el osciloscopio de la siguiente manera: Base de tiempo de 2 ms/div, selector de disparo a CA, operación de trazo

dual. Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Ganancia del amplificador Y del CH.2 a 2 V/div, entrada de CA. Coloca ambos trazos en el centro de la pantalla.

Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 1.17, el CH.2 al enchufe 1.28 y la tierra del osciloscopio al enchufe 1.29.

Ajusta la salida del generador de señales a 100 Hz senoidal y ajusta el

control de amplitud para que dé un voltaje de alimentación al divisor de potencial (pantalla del CH.1 del osciloscopio) de 8 Vp-p (4 divisiones).

Observa la amplitud de la onda del CH.2 (a través de R5).

Amplitud de la onda de R5 =

11.1a Introduce la amplitud de la onda de R5 en Vp-p.

Vp-p


199

Observa que las ondas son como se anticipaba, ya que las conexiones de tierra del osciloscopio y del circuito son comunes, por lo que no existe interferencia con las condiciones del circuito.

Ahora trata de verificar la forma de onda a través de R2, cambiando la terminal de conexión de tierra del osciloscopio del enchufe 1.29 al enchufe 1.26, de forma que el CH.1 del osciloscopio se conecte directamente a través de la resistencia. Observa el efecto en las ondas del CH.2 al realizar las conexiones.

Observa la amplitud de la onda resultante y compárala con el valor esperado

para un divisor de potencial con dos resistencias iguales.

Amplitud de la onda de R2 =

11.1b La amplitud desplegada por la onda de R2, medida de acuerdo a las instrucciones anteriores es:

a correcta a 4 Vp-p. b correcta a 8 Vp-p.

c cero. d incorrecta a 8 Vp-p.

11.1c Cuando se verifica la onda a través de R2 conforme a las instrucciones anteriores, la amplitud desplegada de la onda de R5 es:

a correcta a 4 Vp-p. b correcta a 8 Vp-p.

c cero. d incorrecta a 8 Vp-p. El efecto observado se debe a la corriente que fluye de regreso a través de la conexión de tierra del osciloscopio, en vez de la resistencia R5. Para confirmarlo:

Cambia la terminal de conexión de tierra del osciloscopio del enchufe 1.26 al tablero de conexiones del osciloscopio con un multímetro ajustado para medir hasta 20 mA CA, y revisa la corriente de retorno en corto circuito a tierra que anteriormente fluía a través de la terminal del osciloscopio.

Corriente de retorno a tierra =

11.1d Ingresa el valor medido de la corriente de retorno a tierra, en mA.

Vp-p

mA


200

Ejercicio 11.2 Análisis de ondas en una red de resistencias con un transformador de aislamiento utilizando un osciloscopio conectado a tierra

Como se señaló al principio de este capítulo, el uso de un transformador 1:1 de aislamiento permite alimentar un circuito con voltaje sin referencia a tierra. Esto permite utilizar un instrumento de prueba referido a tierra al realizar mediciones en el circuito.

R1

R2

Figura 11.5

Los componentes adecuados están disponibles en el Circuito #4.

S.G.

R201kΩ

R211kΩ

R221kΩ

4.3 4.4

4.2 4.5 4.10 4.11 4.12

4.15

4.14

T1

4.13

4.16

4.17 4.18

4.1

4.21

4.20 4.19

4.8

4.7 4.6

4.9

N1

N2

N3

CIRCUIT # 4

Figura 11.6

Inserta conectores y un cable de conexión como se muestra en la Figura 11.6.


201

Ajusta el osciloscopio de la siguiente manera: Base de tiempo a 2 ms/div, selector de disparo a CA, operación de trazo

simple. Ganancia del amplificador Y del CH.1 Y a 2 V/div, entrada de CA. Coloca el trazo del CH.1 en el centro de la pantalla.

Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 4.10 y la tierra del osciloscopio al enchufe 4.15.

Ajusta la salida del generador de señales a 100 Hz senoidal y ajusta el

control de amplitud para que dé un voltaje de alimentación al divisor de potencial (pantalla del CH.1 del osciloscopio) de 8 Vp-p (4 divisiones).

Voltaje R21 + R22 Voltaje R21 Voltaje R22

Enchufes 4.10 - 4.15 Enchufes 4.10 - 4.13/4.18 Enchufes 4.13/4.18 - 4.15

8 Vp-p Vp-p Vp-pTabla 11.1

Cambia la conexión de tierra del osciloscopio a la unión de los enchufes 4.13 y 4.18. (Observa que puedes usar el enchufe que se encuentra en la parte superior del conector para hacer contacto con los pernos inferiores).

Ahora el osciloscopio está conectado directamente a través de la resistencia

superior (R21) del divisor de potencial. Agrega la amplitud de esta onda a la Tabla 11.1.

Cambia la conexión del CH.1 del osciloscopio a los enchufes 4.13 y 4.18 y la

conexión de tierra al enchufe 4.15.

Ahora el osciloscopio está directamente a través de la resistencia inferior (R22) del divisor de potencial. Agrega la amplitud de esta onda a la Tabla 11.1.

11.2a Ingresa la amplitud de la onda de R21, en Vp-p.

11.2b Ingresa la amplitud de la onda de R22, en Vp-p.


202

Trata de invertir las conexiones del osciloscopio en cada resistencia y observa que no importa de qué manera estén conectadas. La onda sigue desplegándose correctamente. La polaridad se invierte cuando se invierten las terminales, pero el disparo del osciloscopio automáticamente se ajusta al punto positivo de disparo, por lo que tú no ves ninguna diferencia aparente.

Para ver esta inversión de fase:

Ajusta el osciloscopio para operación en trazo dual, disparándolo desde el CH.2.

Coloca el trazo del CH.1 2 divisiones debajo de la parte superior de la pantalla y el trazo del CH.2 2 divisiones arriba de la parte inferior de la misma.

Conecta el CH.2 del osciloscopio al enchufe 4.5. La onda del CH.2 servirá de onda fija de referencia.

Ahora intenta invertir las terminales a través de R21 y/o R22 y observa la fase de la onda desplegada en el CH.1 comparada con la referencia del CH.2.

11.2c Cuando se conecta el CH.2 del osciloscopio a través del circuito primario conectado a tierra del transformador de aislamiento:

a el CH.1 ya no muestra las amplitudes correctas de la onda a través de R21 y R22.

b sólo la onda a través de R21 es correcta.

c sólo la onda a través de R22 es correcta.

d las ondas a través de R21 y R22 son correctas. Retira la conexión del CH.2 del primario del transformador de aislamiento.

Conecta la tierra del osciloscopio a la unión de los enchufes 4.13 y 4.18, el

CH.1 al enchufe 4.10 y el CH.2 al enchufe 4.15. Ahora el CH.1 y el CH.2 del osciloscopio están ambos referidos al mismo punto de tierra común en el circuito secundario. Una vez que uno de los canales se conecte a través de un componente en el circuito secundario aislado, el punto conectado a tierra se convierte en la referencia para el otro canal. No es posible analizar las ondas a través de componentes totalmente separados que no tengan un punto de conexión de tierra común.


203

Examina las ondas y observa que la onda del CH.1 está invertida si se compara con la onda del CH.2. Esto se debe al punto de referencia de tierra común que existe entre los dos componentes.

Cambia el osciloscopio para dispararlo nuevamente desde el CH.1. Notas:

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204

Ejercicio 11.3 Corrientes de retorno a tierra

Ahora podemos analizar los aspectos de seguridad de las corrientes de retorno a tierra provocadas por conexiones accidentales a tierra. En la Figura 11.7 se muestran las posibles trayectorias de corto circuito a tierra. Utiliza un multímetro para medir el flujo de corriente en estas rutas de retorno a tierra.

R1

R2

AA

A

A

Figura 11.7

Los componentes adecuados están nuevamente disponibles en el Circuito #4.

S .G .

R20

1 kΩ

R21

1kΩ

R22

1kΩ

4.3 4 .4

4 .2 4 .5 4.10 4 .1 1 4.12

4.15

4.14

T1

4 .13

4 .16

4 .17 4.18

4 .1

4 .21

4.20 4.19

4.8

4 .74 .6

4 .9

N 1

N2

N3

C IRCUIT # 4

Figura 11.8

R1

R2


205

Inserta conectores y un cable de conexión como se muestra en la Figura 11.8.

Ajusta el osciloscopio de la siguiente manera:

Base de tiempo a 2 ms/div, selector de disparo a CA, operación de trazo simple.

Ganancia del amplificador Y del CH.1 a 2 V/div, entrada de CA. Coloca el trazo del CH.1 en el centro de la pantalla.

Conecta el CH.1 del osciloscopio al enchufe 4.5 y la tierra del osciloscopio al enchufe 4.6.

Ajusta la salida del generador de señales a 100 Hz senoidal y ajusta el control de amplitud para dar un voltaje de alimentación de 8 Vp-p (4 divisiones).

Ajusta el multímetro para medir hasta 20 mA CA y conéctalo en corto circuito entre el enchufe 4.5 y el enchufe 4.6 (tierra). Mide el valor de esta corriente y anótala en la Tabla 11.2.

Corriente de corto circuito del primario

Corriente de corto circuito de R21

Corriente de corto circuito de R21/22 s

Corriente de corto circuito de R22

Enchufes 4.5-4.6 Enchufes 4.10-4.6 Enchufes 4.13/4.18-4.6 Enchufes 4.15-4.6

mA mA mA mATabla 11.2

Cambia la terminal de conexión del multímetro del enchufe 4.5 a los enchufes 4.10, 4.13/4.18 y 4.15, uno a la vez, para medir las corrientes de corto circuito en el circuito secundario del transformador aislado. Registra las lecturas en la Tabla 11.2.

11.3a Ingresa el valor medido de la corriente de corto circuito del primario, en mA.

11.3b Introduce el valor medido de la corriente de corto circuito del enchufe 4.10 a tierra (enchufe 4.6), en mA.

Con base en tus mediciones, encontrarás que, dado que el transformador de aislamiento ha eliminado la referencia de tierra, no existen corrientes de retorno a tierra en ningún lugar del circuito secundario. Ahora este circuito es seguro para que cualquier técnico trabaje en él, aún cuando el técnico esté conectado a tierra. Deberás observar que el circuito primario aún está referido a tierra, así que si el mismo técnico tocara un punto del circuito primario podría aún recibir una descarga eléctrica.


206


1. Los transformadores de aislamiento se diseñan para que: a tanto el circuito primario como el secundario tengan una conexión común de tierra.

b fluya menos corriente en el circuito secundario que en el primario.

c los devanados tengan una relación de 2:1.

d el voltaje del secundario no esté referido a tierra. 2. El equipo conectado a tierra que tiene un chasis con un voltaje superior al de tierra: a es más seguro que el equipo que utiliza un transformador de aislamiento.

b puede provocar una descarga eléctrica si se toca el chasis y la persona completa una trayectoria a tierra.

c es seguro porque el equipo está conectado a tierra.

d no pasa ninguna corriente por el chasis.

R1

R2

Instrumento de prueba

G.S.

Figura 11.9

3. Si se conecta un instrumento de prueba conectado a tierra en un circuito como se muestra en la Figura 11.9 anterior, el instrumento dará lecturas equivocadas debido a:

a la carga del medidor.

b que la lectura del voltaje de prueba es muy baja.

c que la corriente fluye a tierra a través del instrumento.

d que la resistencia R1 está acortada.


207


4. Se puede hacer seguro un chasis con un circuito vivo conectando un transformador de aislamiento entre la alimentación y los componentes del circuito. El transformador de aislamiento:

a elimina todos los voltajes referidos a tierra del circuito.

b reduce todos los voltajes del circuito a un nivel de seguridad.

c asegura que los voltajes en el circuito y en la alimentación estén referidos al mismo punto. d crea una referencia de tierra en el circuito.

R1

R2

CH.1

CH.2

A

10V AC G

Figura 11.10 5. Suponiendo un disparo positivo en el CH.1, las ondas esperadas para las conexiones

mostradas en la Figura 11.10 están dadas por:

CH.1

CH.2

CH.1

CH.2

CH.1

CH.2

CH.1

CH.2

a b c d 6. Si todas las conexiones al osciloscopio (CH.1, CH.2 y tierra) se retiran del circuito de la

Figura 11.10, y se conecta un multímetro entre la conexión superior de R1 (A) y la tierra (G), la corriente medida será de:

a 0 mA b 6.6 mA c 30 mA d 66 mA

Notas:

R1 = 50Ω R2 = 100Ω


208

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