P11 - practica 11 de esime zac ingeniería eléctrica Espero ayudarlos PDF

Preview

Summary

practica 11 de esime zac ingeniería eléctrica
Espero ayudarlos...

Description

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO

INGENIERÍA ELÉCTRICA ACADEMIA DE ELECTROTECNIA

ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS PRACTICA 11 “Características de un capacitor” INTEGRANTES:

AVENDAÑO SUAREZ ALAN BARUCH CAZARES GONZÁLEZ ANDREA PACHECO PANTALEON CARLOS DANIEL

GRUPO: 4EM3

EQUIPO: 1

BOLETA: CALF:

2020302690 _____ 2020300167 _____ 2020302211 _____

FECHA DE REALIZACIÓN:25 mayo 2021 FECHA DE ENTREGA: 03 junio 2021 PROFESORES: BERNABE Y DE LA LUZ MARIO JIMENEZ TRUJILLO FERNANDO MARTINEZ ORTIZ PEDRO

1

Índice Objetivos .......................................................................................................................... 3 Introducción teórica ........................................................................................................... 3 Procedimiento .................................................................................................................. 10 Instrumentos y accesorios empleados ........................................................................... 11 Diagramas eléctricos. ................................................................................................... 14 Esquema físico de la instalación. .................................................................................. 25 Tablas de cálculos iniciales, lecturas y cálculos finales. ................................................ 27 Obtención y Análisis de resultados. .............................................................................. 28 Conclusiones. ................................................................................................................... 31 Bibliografía. ..................................................................................................................... 31 Anexo 1. Hojas de campo................................................................................................. 32 Anexo 2. Memoria de cálculos. ........................................................................................ 32

2

Objetivos  Observar el comportamiento de un capacitor cuando se excita con una corriente directa o con una corriente alterna senoidal.  Verificar experimentalmente la dependencia de la reactancia capacitiva de la frecuencia. Introducción teórica

¿Qué es un capacitor? El condensador eléctrico o capacitor es un componente pasivo como los resistores pero, que tienen la característica de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Este campo es el resultado de una separación de la carga eléctrica. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente de láminas o placas las cuales están separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas sometidas a un diferencial de potencial adquieren una determinada carga eléctrica (positiva en una de ellas y negativa en la otra), siendo nula la variación de carga total. Un condensador es un dispositivo de dos terminales y puede tener polaridad en sus terminales. Al conectar una fuente de tensión en el capacitor, se deposita una carga positiva +q en una placa y una carga negativa –q en la otra, de esta forma el capacitor almacena la carga eléctrica. La carga almacenada se representa por q que es directamente proporcional a la tensión aplicada entre las placas por una constante que indica la capacidad de almacenar energía en forma de campo eléctrico y depende del material dieléctrico. Esto se puede expresar matemáticamente como: q = CV Donde:  q es la carga almacenada [Coulomb].  C es la capacitancia del capacitor [Farad].  V es la tensión aplicada al capacitor [Volt]. La capacitancia es la relación entre la carga eléctrica en una placa de un capacitor y la diferencia de tensión entre las dos placas, su valor depende de las dimensiones físicas del capacitor y de la permitividad del material dieléctrico con el que está construido. Para un capacitor de placas conductoras paralelas, la capacitancia está expresada por:

3

Donde:  A es el área superficial de cada placa.  d es la distancia entre las placas.  ε es la permitividad del material dieléctrico entre las placas. El valor de la capacitancia puede aumentar por tres factores: 1. Una mayor área superficial de las placas. 2. Un menor espaciamiento entre las placas. 3. Una mejor permitividad del material aislante (dieléctrico). El material dieléctrico es un aislante que aumenta la capacitancia como resultado de dipolos eléctricos permanentes o inducidos en el material. Estrictamente, la corriente directa (CD) no fluye a través de un capacitor, en vez de ello, las cargas se desplazan de un lado del capacitor a través del circuito conductor al otro lado, lo que establece el campo eléctrico. El desplazamiento de la carga se llama corriente de desplazamiento pues la corriente parece fluir momentáneamente a través del dispositivo.

Relación voltaje - corriente del capacitor La relación voltaje-corriente del capacitor se define como:

Donde q(t) es la cantidad de carga acumulada medida en coulumbs y C es la capacitancia medida en farads o faradios (F = coulombs/volts). “La tensión en un capacitor no puede cambiar abruptamente.” Para diferenciar esta ecuación, se puede relacionar la corriente de desplazamiento con la tasa de cambio del voltaje:

La capacitancia es una propiedad del material dieléctrico y la geometría y separación de las placas. Los valores de los capacitores tipicos varian de 1 pF a 1000uF. Dado que el voltaje a través de un capacitor es la integral de la corriente de desplazamiento, el voltaje no puede cambiar instantáneamente. Esta caracteística se puede usar para propósitos de temporización en circuitos eléctricos como un circuito RC simple. En cuestiones experimentales el capacitor es capaz de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.

Potencia en un capacitor La potencia instantánea suministrada al capacitor es:

4

La energía almacenada en el capacitor es:

V(-∞)=0, debido a que el capacitor se descargó en t=-∞. La ecuación de energía resulta:

Con base en la ecuación de carga almacenada en el capacitor, se puede reformular la ecuación de energía en el capacitor como:

Se puede emplear cualquiera de las dos ecuaciones anteriores para encontrar la energía almacenada en el capacitor. Esta energía se puede recuperar ya que en un capacitor ideal no se puede disipar energía.

Características del condensador

Las características de un condensador definen su temperatura, capacidad de voltaje y rango de capacitancia, así como su uso en una aplicación particular Existe una variedad desconcertante de características y especificaciones de condensadores asociadas con el humilde condensador y leer la información impresa en el cuerpo de un capacitor a veces puede ser difícil de entender, especialmente cuando se usan colores o códigos numéricos.

5

Cada familia o tipo de capacitor utiliza su propio conjunto único de características de capacitor y sistema de identificación con algunos sistemas que son fáciles de entender y otros que usan letras, colores o símbolos engañosos. La mejor manera de averiguar qué características del capacitor significa la etiqueta es primero averiguar a qué tipo de familia pertenece el capacitor, ya sea de cerámica, película, plástico o electrolítico, y de ahí puede ser más fácil identificar las características particulares del capacitor. Aunque dos capacitores pueden tener exactamente el mismo valor de capacitancia, pueden tener diferentes clasificaciones de voltaje. Si se sustituye un capacitor de voltaje nominal más pequeño en lugar de un capacitor de voltaje nominal más alto, el aumento de voltaje puede dañar el capacitor más pequeño. También recordamos del último tutorial que con un condensador electrolítico polarizado, el cable positivo debe ir a la conexión positiva y el cable negativo a la conexión negativa; de lo contrario, podría dañarse nuevamente. Por lo tanto, siempre es mejor sustituir un condensador viejo o dañado con el mismo tipo que el especificado. A continuación se muestra un ejemplo de marcas de condensadores.

Características del condensador El condensador, como con cualquier otro componente electrónico, viene definido por una serie de características. Estas características de los condensadores siempre se pueden encontrar en las hojas de datos que nos proporciona el fabricante del condensador, de modo que aquí presentamos algunas de las más importantes. Capacitancia nominal, (C) El valor nominal de la Capacitancia , C de un condensador es la más importante de todas las características de los condensadores. Este valor se mide en picoFarads (pF), nano-Farads (nF) o micro-Farads (μF) y se marca en el cuerpo del condensador como números, letras o bandas de colores. 6

La capacitancia de un capacitor puede cambiar el valor con la frecuencia del circuito (Hz) y con la temperatura ambiente. Los condensadores cerámicos más pequeños pueden tener un valor nominal tan bajo como un pico-Farad, (1pF), mientras que los electrolíticos más grandes pueden tener un valor de capacitancia nominal de hasta un Farad, (1F). Todos los condensadores tienen un índice de tolerancia que puede variar desde -20% hasta tan alto como + 80% para electrolíticos de aluminio que afectan su valor real o real. La elección de la capacitancia está determinada por la configuración del circuito, pero el valor leído en el lado de un capacitor puede no ser necesariamente su valor real. Voltaje de trabajo, (WV) La tensión de trabajo es otra característica importante del condensador que define la tensión continua máxima, ya sea CC o CA, que puede aplicarse al condensador sin fallas durante su vida útil. Generalmente, el voltaje de trabajo impreso en el lado de un cuerpo de condensadores se refiere a su voltaje de trabajo de CC, (WVDC). Los valores de voltaje de CC y CA generalmente no son los mismos para un capacitor, ya que el valor de voltaje de CA se refiere al valor rms y NO al valor máximo o máximo, que es 1.414 veces mayor. Además, la tensión de trabajo de CC especificada es válida dentro de un cierto rango de temperatura, normalmente de -30 ° C a + 70 ° C. Cualquier voltaje de CC que exceda su voltaje de trabajo o una corriente de ondulación de CA excesiva puede causar fallas. Por lo tanto, se deduce que un condensador tendrá una vida útil más larga si se opera en un ambiente fresco y dentro de su voltaje nominal. Los voltajes de CC de trabajo comunes son 10V, 16V, 25V, 35V, 50V, 63V, 100V, 160V, 250V, 400V y 1000V y están impresos en el cuerpo del capacitor. Tolerancia,(±%) Al igual que con las resistencias, los condensadores también tienen una clasificación de tolerancia expresada como un valor de más o menos en picofarad (± pF) para los condensadores de bajo valor generalmente menos de

7

100 pF o como un porcentaje (±%) para los condensadores de mayor valor generalmente más alto que 100 pF . El valor de tolerancia es la medida en que se permite que la capacitancia real varíe de su valor nominal y puede oscilar entre el -20% y el + 80%. Por lo tanto, un condensador de 100 µF con una tolerancia de ± 20% podría variar legítimamente de 80 µF a 120 µF y permanecer dentro de la tolerancia. Los capacitores se clasifican de acuerdo con la proximidad de sus valores reales con respecto a la capacitancia nominal nominal con bandas de colores o letras utilizadas para indicar su tolerancia real. La variación de tolerancia más común para los condensadores es del 5% o 10%, pero algunos condensadores de plástico tienen una calificación tan baja como de ± 1%. Corriente de fuga El dieléctrico usado dentro del capacitor para separar las placas conductoras no es un aislante perfecto que resulta en una muy pequeña corriente que fluye o se “filtra” a través del dieléctrico debido a la influencia de los poderosos campos eléctricos acumulados por la carga en las placas cuando se aplica a Una tensión de alimentación constante. Este pequeño flujo de corriente continua en la región de los nano-amperios ( nA ) se denomina corriente de fuga de los condensadores . La corriente de fuga es el resultado de electrones que se abren camino físicamente a través del medio dieléctrico, alrededor de sus bordes o a través de sus cables y que con el tiempo descargarán completamente el capacitor si se elimina la tensión de alimentación. Cuando la fuga es muy baja, como en los condensadores del tipo de película o lámina, generalmente se denomina "resistencia de aislamiento" (R p ) y se puede expresar como una resistencia de alto valor en paralelo con el condensador como se muestra. Cuando la corriente de fuga es alta como en los electrolíticos, se la denomina "corriente de fuga" porque los electrones fluyen directamente a través del electrolito. La corriente de fuga del capacitor es un parámetro importante en los circuitos de acoplamiento del amplificador o en los circuitos de alimentación, ya que las mejores opciones para aplicaciones de acoplamiento y / o almacenamiento son 8

el teflón y los otros tipos de capacitores de plástico (polipropileno, poliestireno, etc.) debido a que cuanto menor sea la constante dieléctrica, cuanto mayor sea la resistencia de aislamiento. Los condensadores de tipo electrolítico (tantalio y aluminio) por otra parte pueden tener capacidades muy altas, pero también tienen corrientes de fuga muy altas (generalmente del orden de aproximadamente 5-20 μA por μF) debido a su pobre resistencia de aislamiento, y son por lo tanto, no es adecuado para aplicaciones de almacenamiento o acoplamiento. Además, el flujo de corriente de fuga para electrolíticos de aluminio aumenta con la temperatura. ¿Por qué los capacitores son importantes? El capacitor tienen muchas propiedades como: 1. Pueden almacenar la energía y pueden disipar esta energía al circuito cuando sea necesario. 2. Pueden bloquear DC y permitir que AC fluya a través de él, y esto puede acoplar una parte del circuito con la otra. 3. Los circuitos con condensadores dependen de la frecuencia, por lo que se pueden usar para amplificar ciertas frecuencias. 4. Permite altas frecuencias y puede usarse como filtros para filtrar frecuencias bajas o para recoger frecuencias altas. 5. Como la reactancia y la frecuencia del condensador están inversamente relacionadas, esto se puede usar para aumentar o disminuir la impedancia del circuito a cierta frecuencia y se puede usar como filtro. Del mismo modo, el capacitor exhiben muchas propiedades cuando se utilizan en circuitos de AC o DC y, por lo tanto, juegan un papel importante en los circuitos eléctricos y electrónicos. Aplicaciones de los capacitores Entre las aplicaciones que tienen los capacitores, se encuentra: 

Bloquear corriente directa y permitir solo el flujo de corriente alterna.



Cambio de fase. 9



Almacenamiento de energía.



Encendido de motores.



Supresión de ruidos.

Procedimiento En esta práctica aún si primero tuvimos conocimientos previos de este dispositivo eléctrico en el cual se obtuvo una breve introducción teórica que nos ayudó a comprender características y el cómo se compone este dispositivo eléctrico llamado capacitor el cual consiste en tener dos barritas de metal que son nombradas cátodo y ánodo y una característica de este dispositivo es que dentro de él resguarda carga eléctrica entonces teniendo esos conocimientos podemos analizar en el circuito planteado en laboratorio, después vimos cómo calcularlo simuladamente y analizar y analíticamente donde por una serie de fórmulas y de cálculos precisos obtuvimos las diferentes incógnitas que se nos presentaron en el análisis del circuito. En la parte experimental vimos cómo se conectaban los circuitos por un software ya utilizado llamado multi SIM donde vimos que los valores calculados y simulados eran los mismos, después medimos el mismo circuito 10

pero con una diferencia en la resistencia ya que ellos se hace de la forma en que si estuviéramos presencialmente en el laboratorio y eso nos ayudó a comprender que la veracidad de los cálculos era correcta cono simulador. Instrumentos y accesorios empleados o Resistencias: Es un dispositivo eléctrico que tiene la particularidad de oponerse al flujo de la corriente. Para medir el valor de las resistencias se usa un instrumento llamado óhmetro y las unidades en el S.I es el Ohm.

o Un Multímetro Digital: Es una herramienta de prueba usada para medir dos o más valores eléctricos, principalmente tensión (voltios), corriente (amperios) y resistencia (ohmios). Es una herramienta de diagnóstico estándar para los técnicos de las industrias eléctricas y electrónicas.

11

o Un Multímetro Analógico Electromecánico: convierten el valor obtenido en un movimiento de la aguja en el tablero de medición. Se llama medidor analógico puesto que el valor obtenido de la medición es reflejado continuamente en el movimiento de la aguja.

o Un interruptor de un polo un tiro: Un interruptor de un polo y dos tiros es un interruptor que sólo tiene una sola entrada y se puede conectar a y cambiar entre 2 salidas. Esto significa que tiene un terminal de entrada y dos terminales de salida. Un interruptor de un polo y dos tiros puede servir una variedad de funciones en un circuito. Puede servir como un interruptor de encendido-apagado, dependiendo de cómo se conecte el circuito. O puede servir para conectar circuitos a cualquiera de las 2 rutas diferentes que un circuito puede necesitar para funcionar.

o Un tablero de Conexiones: Es una matriz de jacks, o tomas de corriente (por lo general llamadas hubs), en la que los cables de conexión se pueden insertar para completar un circuito eléctrico. Estos paneles de control se utilizaron para dirigir la operación de algunos equipos de registro de la unidad.

12

o Fuentes de Alimentación de Corriente Directa, modelo HM – 2220: También son llamadas fuentes de alimentación, son un dispositivo que convierte la tensión alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta.

o Cables de Conexión: Es un término general para el cableado que conecta dos dispositivos electrónicos entre sí, normalmente en una red.

Capacitores Es un componente electrónico pasivo básico junto con resistencias e inductores. Todos los capacitores consisten en la misma estructura básica, dos placas conductoras separadas por un aislante, llamado dieléctrico, que puede ser polarizado con la aplicación de un campo eléctrico.

13

Diagramas eléctricos. SIMULACION VALORES NOMINALES F=40HZ

F=50HZ

14

F=60HZ

15

F=70HZ

F=80HZ

F=90HZ

16

F=100HZ

17

F=110HZ

F=120HZ

18

F=130HZ

F=140HZ

TABLA DE VALORES EXPERIMENTALES EQUIPO 1, A 10.15 µf EN EL CAPACITOR. 19

20

21

22

23

24

Esquema físico de la instalación.

25

26

Tablas de cálculos iniciales, lecturas y cálculos finales. TABLA 1. VALORES MEDIDOS DE LAS CORRIENTES PARA LA DETERMINACIÓN DE LA MAGNITUD DE LA REACTANCIA CAPACITIVA POR EL MÉTODO DEL VÓLTMETRO AMPÉRMETRO C= 10 [µF] NOMINALES E= 3.0 [V] FRECUENCIA SESIÓN SESION VIRTUAL EXPERIMENTAL f [Hz] CORRIENTE CORRIENTE I I [mA] [mA] 40 7.54 7.564 50 9.42 9.45 60 11.31 11.34 70 13.19 13.237 80 15.08 15.128 90 16.96 17.019 100 18.84 18.91 110 20.73 20.80 120 22.61 22.69 130 24.5 24.58 140 36.38 26.47 TABLA 4. VALORES MEDIDOS DE LAS CAÍDAS DE TENSIÓN PARA LA DETERMINACIÓN DE LA MAGNITUD DE LA REACTANCIA CAPACITIVA POR EL MÉTODO DE CAÍDA DE TE...