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• Carlos Delgado

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador Objetivos didácticos Una vez realizado este ejercicio, habrá adquirido los conocimientos que se indican a continuación y, por lo tanto, habrá alcanzado las metas didácticas correspondientes: Funcionamiento de un condensador en un circuito de corriente alterna. Determinación y cálculo de la reactancia capacitiva de un condensador. Medición y evaluación del desfase de corriente y tensión en un condensador. Determinación y cálculo de la potencia reactiva.

Descripción de la tarea a resolver En un circuito de corriente alterna se necesita una resistencia primaria para un LED. La resistencia primaria deberá transformar la menor cantidad posible de energía eléctrica en energía térmica. Se dispone de resistencias óhmicas y de condensadores. Analice el funcionamiento del condensador conectado a corriente alterna y compruebe si es posible utilizar el condensador como resistencia primaria.

Esquema de situación

Fuente de alimentación de corriente trifásica con LED indicador

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Tareas a resolver 1. Compare el comportamiento del condensador cuando está conectado a tensión continua y a tensión alterna. 2. Compruebe el funcionamiento del condensador incluido en un circuito de corriente alterna. Para ello mida las operaciones de carga y descarga. 3. Analice la evolución de la corriente y de la tensión en el condensador incluido en un circuito de corriente alterna. 4. Analice la relación entre la frecuencia y la reactancia de un condensador. Con ese fin, obtenga la curva de la resistencia. 5. Obtenga la curva de potencia del condensador y decida si es posible utilizarlo como resistencia primaria.

Medios auxiliares Libros de texto técnicos, tablas con datos técnicos Hojas de datos WBT Electricidad 2 (Web Based Training) Internet

Importante Únicamente conectar la tensión eléctrica después de haber establecido todas las conexiones. Al terminar el ejercicio vuelva a desconectar la alimentación de tensión y sólo entonces proceda a desmontar los componentes.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Comparación del comportamiento del condensador cuando está conectado a tensión continua y a tensión alterna El comportamiento de un condensador varía según si está conectado a circuitos de corriente continua o de corriente alterna. Realizando una comparación resultan evidentes esas diferencias. –

Complete los datos en la tabla. Incluya en la tabla el comportamiento del condensador e indique las reglas correspondientes.

Característica / Regla

Corriente continua

Corriente alterna

Comportamiento del condensador conectado a corriente continua

Comportamiento del

–

–

condensador conectado a corriente alterna Volumen de carga con el condensador cargado Constante de carga en función del tiempo

Resistencia del condensador

Evolución de intensidad y tensión en un condensador

Condensador en circuitos de corriente continua y en circuitos de corriente alterna

Importante En el caso de un condensador ideal en un circuito de corriente alterna, puede despreciarse la resistencia óhmica.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Medición de las operaciones de carga y descarga del condensador Analice las operaciones de carga y descarga del condensador en un circuito de tensión alterna. Con ese fin, registre con el osciloscopio el transcurso de la tensión de funcionamiento y la tensión del condensador. A continuación, analice del mismo modo el transcurso de la corriente en el condensador. Transcurso de la tensión en el condensador durante las operaciones de carga y descarga –

Efectúe el montaje según el esquema.

Circuito de medición con USS = 3 V, f = 100 Hz, C = 0,22 F, R = 4,7 k

Identificación

Denominación

Valores

R

Resistencia

4,7 k /2 W

C

Condensador

0,22 μF/100 V

–

Osciloscopio

2 canales

–

Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®

–

Lista de componentes

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–

Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.

–

Ajuste una tensión rectangular USS = 3 V con frecuencia f = 100 Hz.

–

Efectúe los ajustes necesarios en el osciloscopio.

–

Mida con el osciloscopio la tensión de funcionamiento U y la tensión UC puesta en el condensador C.

–

Incluya los valores de tensión alterna en función del tiempo en el diagrama del osciloscopio.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Ajustes en el osciloscopio

0 (Y1)

Canal 1: Y1 = 1 V/DIV (Tensión de entrada U)

Canal 2: Y2 = 1 V/DIV (Tensión en el condensador UC)

0 (Y2)

Desviación en función del tiempo: X = 1 ms/DIV

Trigger: Y1

Diagrama en el osciloscopio del transcurso de la tensión

–

Describa la línea de la tensión en el condensador.

–

Determine el valor transitorio de la tensión uC transcurrido un tiempo de carga de 3 ms recurriendo al diagrama del osciloscopio. Compruebe los resultados de la medición mediante un cálculo matemático.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Transcurso de la corriente en el condensador durante las operaciones de carga y descarga –

Describa cómo puede representarse en el osciloscopio la evolución de la corriente.

–

Complete el esquema de tal manera que se conectan en serie primero el condensador y, a continuación, la resistencia.

Circuito de medición con USS = 3 V, f = 100 Hz, C = 0,22 F, R = 4,7 k

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–

Efectúe el montaje según el esquema.

–

Ajuste una tensión rectangular USS = 3 V con frecuencia f = 100 Hz.

–

Efectúe los ajustes necesarios en el osciloscopio, tal como se indica más adelante.

–

Mida con el osciloscopio la tensión de funcionamiento U y la tensión UR puesta en la resistencia R.

–

Incluya los valores de las tensiones en función del tiempo en el diagrama del osciloscopio.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Ajustes en el osciloscopio

0 (Y1)

Canal 1: Y1 = 1 V/DIV (Tensión de entrada U)

Canal 2: Y2 = 2 V/DIV (Tensión en la resistencia UR proporcional a la corriente del condensador) 0 (Y2)

Desviación en función del tiempo: X = 1 ms/DIV

Trigger: Y1 Diagrama en el osciloscopio del transcurso de la tensión

–

Describa el flujo de corriente en el condensador.

–

Determine la constante de tiempo recurriendo a uno de los dos diagramas del osciloscopio y realice el cálculo correspondiente para verificar el valor.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

–

Determine el valor transitorio de la corriente iC transcurrido un tiempo de descarga de 2 ms recurriendo al diagrama del osciloscopio. Compruebe los resultados de la medición mediante un cálculo matemático.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Medición del desfase de corriente y tensión en el condensador Si se conecta un condensador a una corriente alterna sinusoidal, se carga y descarga periódicamente. Analice con el osciloscopio cómo transcurren las curvas de corriente y tensión. Además, evalúe el desfase de corriente y tensión en el condensador. –

Efectúe el montaje según el esquema.

Circuito de medición con USS = 6V, f = 1 kHz, C = 0,22 F, R = 1 k

Identificación

Denominación

Valores

R

Resistencia

1 k /2 W

C

Condensador

0,22 μF/100 V

–

Osciloscopio

2 canales

–

Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®

–

Lista de componentes

Importante La resistencia R se utiliza como resistencia de medición. La tensión UR puesta en la resistencia R es proporcional a la corriente IC que fluye a través del condensador. Para poder representar las tensiones UR y UC simultáneamente en el osciloscopio, el punto de referencia de ambas tensiones debe encontrarse entre las dos resistencias. Por esta razón debe invertirse la señal de tensión UR. Ponga cuidado en que no se produzcan conexiones a masa a través del conductor protector al conectar los dos canales de medición al osciloscopio. Para evitar este riesgo, deberá conectar un transformador de aislamiento.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

–

Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.

–

Ajuste una tensión sinusoidal USS = 6 V con frecuencia f = 1 kHz.

–

Conecte el osciloscopio y realice los ajustes necesarios.

–

Incluya el recorrido de las dos tensiones en el diagrama del osciloscopio. Ajustes en el osciloscopio

Canal 1: Y1 = 0,5 V/DIV (Tensión del condensador UC) Canal 2: Y2 = 1 V/DIV Invertir (Tensión UR proporcional a IC) 0 (Y1), (Y2)

Desviación en función del tiempo: X = 0,1 ms/DIV Centrar las líneas cero de los canales 1 y 2 Trigger: Y1

Diagrama en el osciloscopio corriente y tensión del osciloscopio

–

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Describa las curvas de corriente y de tensión.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

–

Determine el desfase

entre la corriente IC y la tensión UC del condensador. Para ello, evalúe el

diagrama del osciloscopio.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Obtención de la curva de resistencia en función de la frecuencia El condensador conectado a un circuito de corriente alterna tiene un efecto limitador de corriente. Esta limitación se produce debido a la contratensión del condensador durante los cambios de carga. La efecto limitador de corriente también se llama reactancia XC . Analice la relación entre la frecuencia y la reactancia del condensador (C = 0,22 μF). Lleve a cabo mediciones de corriente y de tensión para determinar la reactancia (resistencia capacitiva) con diversas frecuencias. –

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Indique las dos fórmulas para calcular la reactancia XC.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

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Efectúe el montaje según el esquema.

Circuito con USS = 8 V, f = 0,1 – 1 kHz, C = 0,22 F, R = 1 k

Identificación

Denominación

Valores

R

Resistencia

1 k /2 W

C

Condensador

0,22 μF/100 V

–

Osciloscopio

2 canales

–

Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®

–

Lista de componentes

Importante La resistencia R se utiliza como resistencia de medición. La tensión UR puesta en la resistencia R es proporcional a la corriente IC que fluye a través del condensador. Para poder representar las tensiones UR y UC simultáneamente en el osciloscopio, el punto de referencia de ambas tensiones debe encontrarse entre las dos resistencias. Por esta razón debe invertirse la señal de tensión UR. Ponga cuidado en que no se produzcan conexiones a masa a través del conductor protector al conectar los dos canales de medición al osciloscopio. Para evitar este riesgo, deberá conectar un transformador de aislamiento.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

–

Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.

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Ajuste una tensión sinusoidal USS = 8 V con frecuencia f = 0,1 kHz.

–

Conecte el osciloscopio y realice los ajustes necesarios.

–

Lea los valores pico-pico de UR y UC en la pantalla del osciloscopio e incluya los valores en la tabla de resultados de medición.

–

Aumente paso a paso la frecuencia según los valores indicados en la tabla. Incluya en la tabla los valores pico-pico de UR y UC.

–

Calcule los valores IC y XC y apúntelos en la tabla.

–

Trace la línea característica en función de la frecuencia XC = f(f), correspondiente a la reactancia analizada.

Fórmula para calcular IC:

Frecuencia f (kHz)

Tensión del condensador UC (V)

Fórmula para calcular XC:

Tensión medida UR (V)

Corriente del condensador IC (mA)

Reactancia XC (k )

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Resultados de la medición: La reactancia y su dependencia de la frecuencia. C = 0,22 F

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Línea característica XC = f(f) del condensador C = 0,22 F

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Describa la línea característica.

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Calcule la reactancia XC del condensador C = 0,22 F con una frecuencia de f = 200 Hz.

Valores conocidos Condensador

C = 0,22 F

Frecuencia

f = 200 Hz

Incógnita Reactancia XC en Cálculo

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Medición para determinar la potencia reactiva del condensador Obtenga la curva de la reactancia del condensador C = 0,22 F. Lleve a cabo mediciones de corriente y de tensión con el osciloscopio para determinar la potencia reactiva QC.

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–

Explique el concepto «potencia reactiva».

–

Indique la fórmula para calcular la potencia reactiva QC.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Medición de la potencia reactiva capacitiva –

Efectúe el montaje según el esquema. Ajustes en el osciloscopio

Canal 1: Y1 = 1 V/DIV (Tensión del condensador UC) Canal 2: Y2 = 1 V/DIV Invertir (Tensión UR proporcional a IC) Desviación en función del tiempo: X = 0,1 ms/DIV Centrar las líneas cero de los canales 1 y 2 Trigger: Y1

Circuito de medición con US = 4 V, f = 1 kHz, C = 0,22 F, R = 1 k

Identificación

Denominación

Valores

R

Resistencia

1 k /2 W

C

Condensador

0,22 μF/100 V

–

Osciloscopio

2 canales

–

Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®

–

Lista de componentes

Importante La resistencia R se utiliza como resistencia de medición. La tensión UR puesta en la resistencia R es proporcional a la corriente IC que fluye a través del condensador C. Para poder representar las tensiones UR y UC simultáneamente en el osciloscopio, el punto de referencia de ambas tensiones debe encontrarse entre las dos resistencias. Por esta razón debe invertirse la señal de tensión UR. Ponga cuidado en que no se produzcan conexiones a masa a través del conductor protector al conectar los dos canales de medición al osciloscopio. Para evitar este riesgo, deberá conectar un transformador de aislamiento.

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

–

Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.

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Ajuste una tensión sinusoidal US = 4 V con frecuencia f = 1 kHz.

–

Conecte el osciloscopio y realice los ajustes necesarios.

–

Mida la corriente y la tensión con el osciloscopio y apunte los valores de uC y iC en la tabla de resultados de las mediciones.

–

Calcule los valores de la potencia reactiva en base a los valores transitorios de la corriente y de la tensión e inclúyalos en la tabla de resultados de las mediciones.

–

Incluya las líneas de la corriente y de la tensión en el diagrama.

–

Incluya también la curva de la potencia en el diagrama.

Tiempo t [ms]

Corriente iC (mA)

Tensión uC (V)

Potencia reactiva qC (mvar)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Resultados de la medición: Determinación de la potencia reactiva del condensador C = 0,22 F

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Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador

Diagrama con curvas de corriente, tensión y potencia para C = 0,22 F

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Describa la línea de la potencia.

–

Explique si el condensador, en su calidad de resistencia primaria que casi no ocasiona pérdidas de energía, puede utilizarse como resistencia primaria en circuitos de corriente alterna.

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