Experimento: El condensador en el circuito de corriente continua

En el experimento siguiente se debe analizar el proceso de carga de un condensador de 100 F (curva de la tensin del condensador y corriente de carga).

Monte el circuito experimental representado a continuacin:

La siguiente animacin ilustra el montaje experimental:

Abra el instrumento virtual Fuente de tensin continua a travs de la opcin de men Instrumentos | Fuentes de tensin | Fuente de tensin continua, o tambin pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. En primer lugar, no conecte el instrumento.

Ajustes de la fuente de tensin continua

Rango:

10 V

Tensin de salida:

10 V

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a travs de la opcin de men Instrumentos | Instrumentos de medicin | Osciloscopio, o tambin pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del osciloscopio

Canal A

5 V / div

Canal B

200 mV / div

Base de tiempo:

200 ms / div

Modo de operacin:

X/T, DC

Trigger:

Canal A / flanco ascendente / SINGLE / pre-Trigger 25%

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

siguiente ventana.

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Cul es la trayectoria de la curva de la tensin del condensador despus de que se conecta la tensin continua?

Salta inmediatamente a un valor de aproximadamente 10 V y se mantiene en este valor.

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

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

Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a continuacin,vuelve a descender a0 V.

Correcto!

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Cul es la trayectoria de la curva de corriente de carga despus de que se conecta la tensin continua?

Durante todo el proceso de carga se mantiene constante.

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

Asciende exponencialmente de cero a un valor mximo.

En primer lugar, salta a un valor mximo y, a continuacin, desciende exponencialmente hasta llegar a cero.

Correcto!

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Qu reaccin ocasionara una disminucin de la resistencia de carga R13 en el valor mximo de la corriente de carga?

Ninguna.

La corriente de carga disminuira.

La corriente de carga ascendera.

Correcto!

Experimento: Condensador en el circuito de corriente continua II

En el experimento siguiente se debe analizar la respuesta de almacenamiento de un condensador. Para ello se observar el proceso de descarga del condensador.

Monte el circuito experimental que se representa a continuacin en la tarjeta de experimentacin SO4203-6A:

La siguiente animacin ilustra el montaje experimental:

Abra el instrumento virtual Fuente de tensin continua a travs de la opcin de men Instrumentos | Fuentes de tensin | Fuente de tensin continua, o tambin pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuacin el instrumento por medio de la tecla POWER.

Ajustes de la fuente de tensin continua

Rango:

10 V

Tensin de salida:

10 V

Abra el instrumento virtual Voltmetro A travs de la opcin de men Instrumentos | Instrumentos de medicin | Voltmetro A, o tambin pulsando la siguiente imagen y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Conmute el voltmetro, preferentemente, a la representacin vectorial.

Ajustes del voltmetro A

Rango de medicin:

20 V DC

Modo de operacin:

AV

Separe el condensador de la tensin de alimentacin retirando el cable del clavijero V43 y observe la tensin del condensador durante un tiempo prolongado.

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Qu sucede con la tensin del condensador?

Permanece constante.

Aumenta.

Desciende paulatinamente hasta llegar a 0 V.

Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.

Correcto!

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Cmo se puede explicar esta reaccin?

El condensador, una vez que se ha retirado la tensin de alimentacin, representa una resistencia hmica.

El condensador se descarga a travs de la resistencia interna de la medicin.

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

Correcto!

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Vuelva a conectar la fuente de tensin continua para volver a cargar el condensador. Para analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medicin (ANALOG IN), separe ahora la conexin con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al clavijero X43. A continuacin, conecte A+, slo brevemente, para comprobar la tensin del condensador y mida la tensin en largos intervalos de tiempo.

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Qu se puede observar en contraposicin a la medicin continua?

No se observa ninguna diferencia con la medicin continua.

La tensin desciende ahora ms rpidamente.

La tensin desciende ahora ms lentamente.

La tensin permanece ahora constante.

Experimento: La bobina en el circuito de corriente continua

En el experimento siguiente se analizar el proceso de desconexin de una bobina. Para ello, en primer lugar, se cargar la bobina con una tensin continua de 5 V y, a continuacin, se abrir el circuito de corriente por medio de un rel.

Monte el circuito experimental que se representa a continuacin en la tarjeta de experimentacin SO4203-6A: Aqu se debe cablear el rel 1 de manera que el clavijero X48 de la tarjeta de experimentacin, en estado de reposo, se encuentre conectado al rel con la salida S (ANALOG OUT) de la interfaz.

La siguiente animacin ilustra el montaje experimental:

Abra el instrumento virtual Fuente de tensin continua a travs de la opcin de men Instrumentos | Fuentes de tensin | Fuente de tensin continua, o tambin pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuacin el instrumento por medio de la tecla POWER.

Ajustes de la fuente de tensin continua

Rango:

10 V

Tensin de salida:

5 V

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a travs de la opcin de men Instrumentos | Instrumentos de medicin | Osciloscopio, o tambin pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del osciloscopio

Canal A

2 V / div

Base de tiempo:

10 s / div

Modo de operacin:

X/T, DC

Trigger:

Canal A / flanco ascendente / pre-trigger 25%

Abra el panel de rels por medio de la opcin de men Instrumentos | Rel o pulsando la imagen que se encuentra a continuacin.

Cortocircuite brevemente el rel 1 del panel para desconectar la bobina de la alimentacin de tensin. Arrastre con el ratn el oscilograma obtenido en la siguiente ventanay vuelva a conectar el rel en la posicin inicial.

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UB :

Acoplamiento:

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Cul es la trayectoria de la curva de tensin en la resistencia de descarga R2?

Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuacin lentamente acercndose a0 V.

Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuacin lentamente acercndose a0 V.

Salta inmediatamente a 0 V.

Permanececonstante.

Correcto!

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

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UB :

Acoplamiento:

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Cmo vara la curva de tensin?

No vara en lo absoluto.

La tensin desciende ahora rpidamente y el pico negativo muestrauna ligerapronunciacin.

La tensin desciende ahora rpidamente y el piconegativo muestrauna pronunciacin marcada.

La tensin desciende ahora lentamente y el piconegativo muestrauna ligerapronunciacin.

La tensin desciende ahora lentamente y el piconegativo muestrauna pronunciacin marcada.

La tensin permanece constante.

Correcto!

Condensador en el circuito de corriente continua

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

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

La magnitud C representa la capacidad del condensador, y se expresa con la unidad faradio (smbolo: F). Mientras mayor sea la capacidad de un condensador, se debe aplicar un volumen mayor de carga para generar una tensin determinada entre sus electrodos. Anlogamente, podemos tomar como ejemplo una piscina, en donde la capacidad es la superficie de su fondo, la carga el volumen de agua de la piscina y la tensin la altura de llenado: Mientras ms grande sea la superficie de la base (capacidad) de la piscina, se necesitar ms agua (carga) para conseguir una determinada altura de llenado (tensin).

La capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende nicamente de la estructura geomtrica y del dielctrico empleado. Para un condensador de placas es vlida la siguiente relacin:

En esta ecuacin, 0 es la constante elctrica de campo y posee un valor de 8.854210-12 AS/Vm, r es el ndice dielctrico (carente de unidad), A la superficie de una placa y d la distancia entre placas.

Si un condensador se conecta a una tensin continua U0 a travs de una resistencia de carga R, se carga debido a la presencia de dicha tensin, proceso durante el cual la tensin del condensador, de acuerdo con una funcin exponencial, aumenta de 0 V hasta alcanzar su valor final U0 (100%) (curva de carga de un condensador, vase la imagen de la izquierda). Si, a continuacin, se desconecta el condensador de la fuente de tensin y se lo cortocircuita, se produce un proceso de descarga inverso al proceso de carga (vase la imagen de la derecha).

Las corrientes de carga y de descarga fluyen aqu en sentidos contrarios. La velocidad de descarga del condensador depende de su capacidad y del valor de la resistencia R y se caracteriza por medio de la constante de tiempo T = RC . Una vez que ha transcurrido este tiempo, durante la carga, el condensador ha alcanzado el 63% de su valor de tensin o bien, durante la descarga, ha perdido el 63% de su tensin inicial. Si el condensador est completamente cargado, ya no fluye ninguna corriente de carga; por tanto, un condensador bloquea la corriente continua.

Si despus del proceso de carga del condensador se produce una desconexin de la fuente de tensin, sin que el circuito de corriente se cortocircuite, tericamente, el condensador mantiene toda su carga y, con ello, su tensin por tiempo indefinido. Naturalmente, en la realidad, se produce siempre una cierta autodescarga.

Se dispone de condensadores para diferentes fines de aplicacin en una multiplicidad de diseos. Entre las ms importantes formas de construccin se cuentan los condensadores de metal y papel, los de electrolitos, de tntalo, de lminas de plstico y los pequeos condensadores cermicos.

La bobina en el circuito de corriente continua

Inductancia de una bobina

Junto al campo elctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador cargado, existe en la electrotecnia un segundo tipo de campo en forma de campo magntico. Mientras que el campo elctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magntico est ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente elctrica.

Por medio de la conexin progresiva de algunos bucles de conductores se crea una bobina que, ante la presencia del flujo de corriente, se ve afectada por lneas de campo magntico. La intensidad del campo magntico se caracteriza por el flujo magntico. Si el campo magntico que atraviesa la bobina vara (por ejemplo, debido a una variacin de la intensidad de corriente), en la bobina se produce el fenmeno denominado autoinduccin, cuya magnitud depende, por una parte, de la velocidad de la variacin pero tambin, por otra parte, del tamao y la constitucin de la bobina. La inductancia L de la bobina es, en este caso, un indicador de su capacidad para generar una tensin de autoinduccin. Para una bobina alargada es vlida la siguiente relacin:

En esta ecuacin,0 es la constante magntica de campo, r la permeabilidad relativa del ncleo de la bobina, N el nmero de espiras, l la longitud de la bobina y A su seccin transversal (vase la imagen siguiente).

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

Conexin y desconexin de una bobina

Si una bobina se encuentra en un circuito de corriente continua, la corriente que fluye por ella es constante - tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de conexin - de manera que no se genera ninguna tensin de autoinduccin. La bobina acta, por tanto, en este caso, como una resistencia hmica, cuyo valor de resistencia (por lo general muy pequeo), resulta del valor de resistencia especfico del material de la bobina al igual que de la longitud y seccin transversal del alambre.

Cuando se conecta una bobina, en primer lugar, se forma su campo magntico; debido a las modificaciones resultantes del flujo, se crea una tensin de autoinduccin que acta opuestamente a la tensin aplicada. De esta manera no asciende la intensidad de corriente abruptamente en el circuito elctrico (como ocurrira con una carga resistiva), sino que la corriente asciende paulatinamente hasta alcanzar un determinado valor final. Si se desconecta la bobina, tiene lugar un proceso inverso: Al diluirse el campo magntico se origina una tensin de autoinduccin, que tiene el mismo sentido que la tensin que se aplicaba anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnticos puede adoptar valores ms elevados. La tensin de autoinduccin, en principio, mantiene el flujo de corriente que atraviesa la bobina, de manera que la corriente no vara abruptamente sino que desciende paulatinamente hasta llegar acero.

La siguiente imagen ilustra los procesos que se producen durante la desconexin. En estado de conexin (imagen de la izquierda) la corriente I circula a travs de la bobina L. Si se abre el circuito de corriente (imagen de la derecha) ocurre entonces lo siguiente: Debido a la energa del campo magntico formado, la bobina mantiene al principio la corriente. Dado que esta ya no puede fluir a travs de la fuente de tensin, circula, tal como se representa en la imagen, a travs de la resistencia RL paralela a la bobina. La energa del campo magntico se convierte aqu en energa trmica, por lo que la corriente desaparece abruptamente. Este proceso se realiza, al igual que en el condensador, de forma elctrica, pero, en este caso, la constante de tiempo viene dada por el cuociente resultante de la inductancia y la resistencia hmica.

Si no se dispone de una resistencia RL, se origina una cresta de tensin muy elevada que puede conducir fcilmente a la destruccin de componentes sensibles (por ejemplo, circuitos integrados) de un circuito. Por esta razn, en la prctica, las inductancias se conectan, la mayora de las veces, a diodos de va libre, los cuales cortocircuitan esta tensin en la bobina y, de esta manera, se encargan de que la energa misma de la bobina se convierta en energa trmica.

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