Principios básicos de la técnica de corriente alterna

Principios básicos de la
técnica de corriente alterna
Manual de trabajo
Con CD-ROM
Y1
Y2
I
P
IR
G
IC
IL
φ
90°
QL
U
R
C
L
QC
S
Festo Didactic
567219 es
Referencia:
Datos actualizados en:
Autor:
Artes gráficas:
Maquetación:
567219
10/2010
Christine Löffler
Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
07/2011, Susanne Durz
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, D-73770 Denkendorf, 2011
Internet: www.festo-didactic.com
E-mail: did@de.festo.com
Sin nuestra expresa autorización, queda terminantemente prohibida la reproducción total o parcial de este
documento, así como su uso indebido y/o su exhibición o comunicación a terceros. El incumplimiento de lo
anterior obligará al infractor a pagar una indemnización por daños y perjuicios. Quedan reservados todos
los derechos inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estéticos.
Contenido
Utilización debida ________________________________________________________________________ IV
Prólogo _________________________________________________________________________________ V
Introducción ____________________________________________________________________________ VII
Indicaciones de seguridad y utilización _____________________________________________________ VIII
Conjunto didáctico: Principios básicos de la técnica de corriente alterna (TP 1011) __________________ IX
Objetivos didácticos: Principios básicos de la técnica de corriente alterna ____________________________X
Atribución de los ejercicios en función de objetivos didácticos:
Principios básicos de la técnica de corriente alterna _____________________________________________ XI
Equipo didáctico_________________________________________________________________________ XIII
Atribución de componentes y ejercicios en función de objetivos didácticos:
Principios básicos de la técnica de corriente alterna ___________________________________________ XVII
Informaciones para el instructor ___________________________________________________________ XVIII
Estructura de los ejercicios ________________________________________________________________ XIX
Denominación de los componentes _________________________________________________________ XIX
Contenido del CD-ROM ___________________________________________________________________ XX
Ejercicios y soluciones
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos
de la técnica de corriente alterna __________________________________________________1
Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador _________________________________ 19
Ejercicio 3: Selección de la capacitancia apropiada de un filtro de paso alto _______________________ 39
Ejercicio 4: Reducción de picos de tensión al activar una bobina de válvula _______________________ 51
Ejercicio 5: Determinación de la inductancia de una bobina ____________________________________ 65
Ejercicio 6: Análisis de elementos RC mediante mediciones ____________________________________ 77
Ejercicio 7: Determinación de la respuesta en frecuencia en un filtro de paso alto
y en un filtro de paso bajo ______________________________________________________ 89
Ejercicio 8: Compensación de la potencia reactiva de un motor eléctrico _________________________ 101
Ejercicio 9: Selección de un circuito de corriente trifásica para la conexión
de un acumulador plano de pared ______________________________________________ 113
Ejercicio 10: Generación de diversos niveles de potencia en una estufa eléctrica ___________________ 127
Ejercicios y hojas de trabajo
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos
de la técnica de corriente alterna __________________________________________________1
Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador _________________________________ 19
Ejercicio 3: Selección de la capacitancia apropiada de un filtro de paso alto _______________________ 39
Ejercicio 4: Reducción de picos de tensión al activar una bobina de válvula _______________________ 51
Ejercicio 5: Determinación de la inductancia de una bobina ____________________________________ 65
Ejercicio 6: Análisis de elementos RC mediante mediciones ____________________________________ 77
Ejercicio 7: Determinación de la respuesta en frecuencia en un filtro de paso alto
y en un filtro de paso bajo ______________________________________________________ 89
Ejercicio 8: Compensación de la potencia reactiva de un motor eléctrico _________________________ 101
Ejercicio 9: Selección de un circuito de corriente trifásica para la conexión
de un acumulador plano de pared ______________________________________________ 113
Ejercicio 10: Generación de diversos niveles de potencia en una estufa eléctrica ___________________ 127
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III
Utilización debida
El equipo didáctico de fundamentos de electricidad/electrónica deberá utilizarse únicamente cumpliendo
las siguientes condiciones:
• Utilización apropiada y convenida en cursos de formación y perfeccionamiento profesional
• Utilización en perfecto estado técnico
Los componentes del conjunto didáctico cuentan con la tecnología más avanzada actualmente disponible y
cumplen las normas de seguridad. A pesar de ello, si se utilizan indebidamente, es posible que surjan
peligros que pueden afectar al usuario o a terceros o, también, provocar daños en el sistema.
El sistema para la enseñanza de Festo Didactic ha sido concebido exclusivamente para la formación y el
perfeccionamiento profesional en materia de sistemas y técnicas de automatización industrial. La empresa
u organismo encargados de impartir las clases y/o los instructores deben velar por que los
estudiantes/aprendices respeten las indicaciones de seguridad que se describen en el presente manual.
Festo Didactic excluye cualquier responsabilidad por lesiones sufridas por el instructor, por la empresa u
organismo que ofrece los cursos y/o por terceros, si la utilización del presente conjunto de aparatos se
realiza con propósitos que no son de instrucción, a menos que Festo Didactic haya ocasionado dichos daños
premeditadamente o con extrema negligencia.
IV
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Prólogo
El sistema de enseñanza en materia de sistemas y técnica de automatización industrial de Festo se rige por
diversos planes de estudios y exigencias que plantean las profesiones correspondientes. En consecuencia,
los equipos didácticos están clasificados según los siguientes criterios:
• Conjuntos didácticos de orientación tecnológica
• Mecatrónica y automatización de procesos de fabricación
• Automatización de procesos continuos y técnica de regulación
• Robótica móvil
• Equipos didácticos híbridos
El sistema para enseñanza de la técnica de automatización se actualiza y amplía regularmente, a la par que
avanzan los métodos utilizados en el sector didáctico y se introducen nuevas tecnologías en el sector
industrial.
Los equipos didácticos técnicos abordan los siguientes temas: neumática, electroneumática, hidráulica,
electrohidráulica, hidráulica proporcional, controles lógicos programables, sensores, electrotecnia,
electrónica y actuadores eléctricos.
Los equipos didácticos tienen una estructura modular, por lo que es posible dedicarse a aplicaciones que
rebasan lo previsto por cada uno de los equipos didácticos individuales. Por ejemplo, es posible trabajar
con controles lógicos programables para actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos.
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V
Todos los conjuntos didácticos incluyen lo siguiente:
• Hardware (equipos técnicos)
• Material didáctico
• Seminarios
Hardware (equipos técnicos)
El hardware incluye componentes y equipos industriales que han sido adaptados para fines didácticos. La
selección de componentes de los equipos didácticos y su ejecución se realiza específicamente según los
proyectos previstos para cada nivel.
Material didáctico
Los medios relacionados con cada tema se clasifican en teachware (material didáctico) y software. El
«teachware» orientado hacia la práctica, incluye lo siguiente:
• Libros técnicos y libros de enseñanza (publicaciones estándar para la adquisición de conocimientos de
carácter fundamental).
• Manuales de trabajo (con ejercicios prácticos, informaciones complementarias y soluciones modelo)
• Diccionarios, manuales, publicaciones técnicas (profundizan los temas técnicos)
• Transparencias para proyección y vídeos (para crear un entorno de estudio ilustrativo y activo)
• Pósters (para la representación esquematizada de temas técnicos)
El software incluye programas para las siguientes aplicaciones:
• Programas didácticos digitales (temas de estudio preparados didácticamente, aprovechando diversos
medios digitalizados)
• Software de simulación
• Software de visualización
• Software para la captación de datos de medición
• Software para diseño de proyectos y construcción
• Software de programación para controles lógicos programables
Los medios de estudio y enseñanza se ofrecen en varios idiomas. Fueron concebidos para la utilización en
clase, aunque también son apropiados para el estudio autodidacta.
Seminarios
Los contenidos que se abordan mediante los equipos didácticos se completan mediante una amplia oferta
de seminarios para la formación y el perfeccionamiento profesional.
¿Tiene alguna sugerencia o desea expresar una crítica en relación con el presente manual?
Envíe un e-mail a: did@de.festo.com
Los autores y Festo Didactic están interesados en conocer su opinión.
VI
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Introducción
El presente manual de trabajo forma parte del sistema para la enseñanza en materia de sistemas y técnica
de automatización industrial de Festo Didactic GmbH & Co. KG. El sistema constituye una sólida base para la
formación y el perfeccionamiento profesional de carácter práctico. El equipo didáctico para
electrotecnia/electrónica TP 1011 aborda los siguientes temas:
• Principios básicos de la técnica de corriente continua
• Principios básicos de la técnica de corriente alterna
• Principios básicos de semiconductores
• Circuitos básicos en la electrónica
El manual que trata el tema de los fundamentos de la técnica de corriente alterna es la continuación de la
introducción al tema electrotecnia/electrónica. El manual se centra en el tema del funcionamiento de
resistencias, condensadores y bobinas en circuitos de corriente alterna. Otro tema principal consiste en el
desfase de corriente y tensión en circuitos de corriente alterna con condensador y bobina. En el manual se
ofrecen informaciones detalladas sobre la forma de representar y evaluar el desfase en circuitos mixtos. En
este contexto también se analizan los conceptos eléctricos de potencia activa, reactiva y aparente. El
análisis de circuitos en estrella y en triángulo en sistemas de corriente trifásica de tensión alterna también
aborda el tema de la potencia.
Para efectuar el montaje de los circuitos eléctricos y para evaluarlos, es necesario disponer de un equipo de
laboratorio que debe incluir una fuente segura de alimentación de tensión de la red, dos multímetros
digitales, un osciloscopio con memoria y dos cables de seguridad de laboratorio.
Para solucionar las tareas de los 10 ejercicios relacionados con el tema de la corriente alterna se necesitan
los componentes incluidos en el conjunto TP 1011. La teoría necesaria para entender los ejercicios se
encuentran en los manuales de estudio.
Además, se ofrecen hojas de datos correspondientes a todos los componentes (resistencias lineales y no
lineales, condensadores, bobinas, diodos luminosos, aparatos de medición, etc.).
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VII
Indicaciones de seguridad y utilización
Informaciones generales
• Los estudiantes únicamente podrán trabajar con los equipos en presencia de un instructor.
• Lea detenidamente las hojas de datos correspondientes a cada uno de los componentes y,
especialmente, respete las respectivas indicaciones de seguridad.
• Los fallos que podrían mermar la seguridad no deberán ocasionarse durante las clases y deberán
eliminarse de inmediato.
Sistema eléctrico
• ¡Peligro de muerte en caso de rotura del cable de protección!
– El cable protector (amarillo/verde) no deberá cortarse
ni dentro ni fuera del aparato.
– No deberá dañarse o retirarse el aislamiento del cable de protección.
• En plantas o talleres industriales deberán respetarse las normas de utilización de equipos eléctricos
definidas por las autoridades competentes.
• En centros de formación y en talleres de instrucción, el uso de unidades de conexión a la red eléctrica
deberá supervisarse por personal debidamente cualificado.
• Precaución
Los condensadores pueden estar cargados, aunque el aparato como tal haya sido separado de todas
las fuentes de tensión.
• A tener en cuenta al sustituir fusibles: Utilice únicamente fusibles apropiados y previstos para la
intensidad nominal correcta.
• Nunca conecte de inmediato la unidad de conexión a la red eléctrica si estuvo almacenada en un
espacio de baja temperatura y si se pretende utilizarla en un espacio de temperatura ambiente mayor.
En determinadas circunstancias adversas, el condensado que se forma en estas condiciones podría
destruir la unidad. No conecte la unidad hasta que alcance la temperatura ambiente.
• Al resolver las tareas utilice en los circuitos una tensión de funcionamiento máxima de 60 V DC y
25 V AC. También tenga en cuenta las indicaciones sobre la tensión de funcionamiento máxima
admisible que se indica en los componentes utilizados en los ejercicios.
• Establezca las conexiones únicamente si no está conectada la tensión.
• Separe las conexiones eléctricas únicamente tras haber desconectado la tensión.
• Utilizar únicamente cables provistos de conectores de seguridad.
• Al desconectar los cables, únicamente tire de los conectores de seguridad, nunca de los cables.
• Siempre conecte el osciloscopio a la alimentación de la tensión de la red intercalando un transformador
de aislamiento.
VIII
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Conjunto didáctico:
Principios básicos de la técnica de corriente alterna (TP 1011)
El equipo didáctico tecnológico TP 1011 incluye una gran cantidad de material didáctico. Esta parte del
equipo didáctico TP 1011 aborda el tema de los fundamentos de la técnica de corriente alterna. Los
componentes individuales del equipo didáctico TP 1011 también pueden formar parte del contenido de
otros equipos didácticos.
Componentes principales del TP 1011
• Laboratorio de estudio EduTrainer® con sistema de conexiones universales
• Conjunto de componentes para electrotecnia/electrónica, con conectores y cables de seguridad
• Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®
• Instalaciones de laboratorio completas
Material didáctico
El material didáctico del equipo didáctico TP 1011 incluye manuales de estudio, colecciones de tablas y
manuales de trabajo. Los manuales técnicos ofrecen explicaciones ilustrativas y claramente estructuradas
sobre los fundamentos de la técnica de corriente alterna. Los manuales de trabajo incluyen las hojas de
ejercicios, las soluciones y un CD-ROM. Cada manual de trabajo se entrega con las hojas de ejercicios y de
trabajo correspondientes a cada tarea a resolver.
El equipo didáctico se entrega con hojas de datos correspondientes a los componentes del hardware.
Además, las hojas de datos también constan en el CD-ROM.
Material didáctico
Manuales de textos técnicos
Especialidad de electricidad y electrotecnia
Colección de tablas
Electrotecnia/Electrónica
Manuales de trabajo
Principios básicos de la técnica de corriente continua
Principios básicos de la técnica de corriente alterna
Principios básicos de semiconductores
Circuitos básicos de la electrónica
Programas de estudio
digitalizados
WBT Electricidad 1: Fundamentos de la electricidad
WBT Electricidad 2: Circuitos de corriente continua y circuitos de corriente alterna
WBT Electrónica 1: Fundamentos de los semiconductores
WBT Electrónica 2: Circuitos impresos integrados
WBT Medidas de protección eléctricas
(WBT = Web Based Training = curso a través de la red)
Cuadro general de los medios correspondientes al equipo didáctico TP 1011
El equipo didáctico TP 1011 incluye los siguientes programas didácticos digitales: «Electricidad 1»,
«Electricidad 2», «Electrónica 1», «Electrónica 2» y «Medidas de protección eléctricas». Estos programas
didácticos ofrecen explicaciones exhaustivas sobre los fundamentos de la electricidad y la electrónica. Los
contenidos didácticos abordan estos temas de modo sistemático y recurriendo a ejemplos reales.
El material didáctico se ofrece en varios idiomas. Los materiales didácticos disponibles constan en los
catálogos y en Internet.
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IX
Objetivos didácticos: Principios básicos de la técnica de corriente alterna
Al final del curso, el estudiante habrá adquirido los siguientes conocimientos:
• Descripción de los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna y realizar cálculos con
dichos parámetros.
• Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes correspondientes a la corriente
alterna.
• Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con un osciloscopio.
• Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de corriente alterna.
• 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 incluido en un circuito de
corriente alterna.
• Determinación y cálculo de la potencia reactiva.
• Cálculo de la capacitancia en circuitos con condensadores conectados en serie y en paralelo.
• Medición de condensadores conectados en serie y en paralelo. Evaluación según las leyes físicas
aplicables en este caso.
• Construcción, utilización y magnitudes de una bobina.
• Análisis del comportamiento de conexión/desconexión de una bobina.
• Influencia que tiene la autoinducción en el funcionamiento de una bobina.
• Funcionamiento de una bobina en un circuito de corriente alterna.
• Determinación de la inductancia y de la reactancia inductiva de una bobina.
• Medición y evaluación del desfase de corriente y tensión en una bobina incluida en un circuito de
corriente alterna.
• Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la suma de magnitudes alternas en
circuitos RC.
• Elementos RC como divisores de tensión dependientes de la frecuencia.
• Utilización de elementos RC como filtros de paso alto y de paso bajo.
• Importancia de la potencia reactiva en la red eléctrica pública.
• Medición y aplicación del factor de potencia cos φ.
• Utilización de circuitos paralelos RLC como circuitos de compensación para calcular la potencia
reactiva.
• Relación existente entre potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente.
• Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la suma de magnitudes alternas en
circuitos mixtos.
• Principio de generación de tensión alterna trifásica.
• Conocimiento y montaje de circuitos en estrella y circuitos en triángulo en sistemas de corriente
trifásica.
• Medición y cálculo de la potencia en circuitos en estrella y triángulo.
• Aprovechamiento específico de fases individuales del sistema de corriente trifásica con el fin de generar
potencia.
• Consecuencias que tiene el fallo de una fase en el rendimiento de una unidad consumidora en conexión
estrella.
X
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Atribución de los ejercicios en función de los objetivos didácticos:
Principios básicos de la técnica de corriente alterna
Ejercicio
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Objetivo didáctico
Descripción de los parámetros característicos de la técnica de
corriente alterna y realizar cálculos con dichos parámetros.
•
Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes
correspondientes a la corriente alterna.
•
Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con
un osciloscopio.
Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de
corriente alterna.
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 incluido en un circuito de corriente alterna.
•
Determinación y cálculo de la potencia reactiva.
•
Cálculo de la capacitancia en circuitos con condensadores
conectados en serie y en paralelo.
Medición de condensadores conectados en serie y en paralelo.
Evaluación según las leyes físicas aplicables en este caso.
Construcción, utilización y magnitudes de una bobina.
Análisis del comportamiento de conexión/desconexión de una
bobina.
Influencia que tiene la autoinducción en el funcionamiento de una
bobina.
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•
•
•
•
•
•
XI
Ejercicio
1
2
3
4
5
6
7
•
•
8
9
10
Objetivo didáctico
Funcionamiento de una bobina en un circuito de corriente alterna.
•
Determinación de la inductancia y de la reactancia inductiva de
una bobina.
•
Medición y evaluación del desfase de corriente y tensión en una
bobina incluida en un circuito de corriente alterna.
Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la
suma de magnitudes alternas en circuitos RC.
Elementos RC como divisores de tensión dependientes de la
frecuencia.
Utilización de elementos RC como filtros de paso alto y de paso
bajo.
•
•
Importancia de la potencia reactiva en la red eléctrica pública.
•
Medición y aplicación del factor de potencia cos φ.
•
Utilización de circuitos paralelos RLC como circuitos de
compensación para calcular la potencia reactiva.
•
Relación existente entre potencia activa, potencia reactiva y
potencia aparente.
•
Aplicación de diagramas de vectores y diagramas de líneas para la
suma de magnitudes alternas en circuitos mixtos.
•
Principio de generación de tensión alterna trifásica.
•
Conocimiento y montaje de circuitos en estrella y circuitos en
triángulo en sistemas de corriente trifásica.
•
Medición y cálculo de la potencia en circuitos en estrella y
triángulo.
•
Aprovechamiento específico de fases individuales del sistema de
corriente trifásica con el fin de generar potencia.
Consecuencias que tiene el fallo de una fase en el rendimiento de
una unidad consumidora en conexión estrella.
XII
•
•
•
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Equipo didáctico
El manual del trabajo titulado «Principios básicos de la técnica de corriente alterna» permite adquirir
conocimientos relacionados con la construcción y el funcionamiento de condensadores y bobinas y con el
comportamiento de los componentes incluidos en circuitos básicos y circuitos de aplicaciones sencillas.
El equipo didáctico de electrotecnia/electrónica TP 1011 incluye los componentes necesarios para alcanzar
los objetivos didácticos definidos. Para efectuar el montaje de los circuitos y evaluarlos se necesitan
adicionalmente dos multímetros digitales y cables de seguridad de laboratorio.
Equipo didáctico «Fundamentos de la electrotecnia / electrónica», referencia: 571780
Componente
Referencia
Cantidad
Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer®
567321
1
Conectores universales EduTrainer®
567322
1
Conjunto de componentes electrotecnia/electrónica
567306
1
Conjunto de conectores de 19 mm de color gris
571809
1
Lista de componentes incluidos en el equipo didáctico «Fundamentos de la electrotecnia /
electrónica», referencia: 567306
Componente
Cantidad
Resistencia, 10 Ω/2 W
1
Resistencia, 22 Ω/2 W
2
Resistencia, 33 Ω/2 W
1
Resistencia, 100 Ω/2 W
2
Resistencia, 220 Ω/2 W
1
Resistencia, 330 Ω/2 W
1
Resistencia, 470 Ω/2 W
2
Resistencia, 680 Ω/2 W
1
Resistencia, 1 kΩ/2 W
3
Resistencia, 2,2 kΩ/2 W
2
Resistencia, 4,7 kΩ/2 W
2
Resistencia, 10 kΩ/2 W
3
Resistencia, 22 kΩ/2 W
3
Resistencia, 47 kΩ/2 W
2
Resistencia, 100 kΩ/2 W
2
Resistencia, 1 MΩ/2 W
1
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XIII
XIV
Componente
Cantidad
Potenciómetro, 1 kΩ/0,5 W
1
Potenciómetro, 10 kΩ/0,5 W
1
Resistencia dependiente de la temperatura (NTC), 4,7 kΩ/0,45 W
1
Resistencia dependiente de la luz (LDR), 100 V/0,2 W
1
Resistencia dependiente de la tensión (VDR), 14 V/0,05 W
1
Condensador, 100 pF/100 V
1
Condensador, 10 nF/100 V
2
Condensador, 47 nF/100 V
1
Condensador, 0,1 μF/100 V
2
Condensador, 0,22 μF/100 V
1
Condensador, 0,47 μF/100 V
2
Condensador, 1,0 μF/100 V
2
Condensador, 10 μF/250 V, polarizado
2
Condensador, 100 μF/63 V, polarizado
1
Condensador, 470 μF/50 V, polarizado
1
Bobina, 100 mH/50 mA
1
Diodo, AA118
1
Diodo, 1N4007
6
Diodo Z, ZPD 3,3
1
Diodo Z, ZPD 10
1
Diac, 33 V/1 mA
1
Transistor NPN, BC140, 40 V/1 A
2
Transistor NPN, BC547, 50 V/100 mA
1
Transistor PNP, BC160, 40 V/1 A
1
Transistor JFET canal P, 2N3820, 20 V/10 mA
1
Transistor JFET canal N, 2N3819, 25 V/50 mA
1
Transistor UNIJUNCTION, 2N2647, 35 V/50 mA
1
Transistor MOSFET canal P, BS250, 60 V/180 mA
1
Tiristor, TIC 106, 400 V/5 A
1
Triac, TIC206, 400 V/4 A
1
Bobina de transformador, N = 200
1
Bobina de transformador, N = 600
2
Inducido férrico de transformador, con elemento de fijación
1
Lámpara indicadora, 12V/62 mA
1
Diodo luminoso (LED), 20 mA, azul
1
Diodo luminoso (LED), 20 mA, rojo o verde
1
Conmutador
1
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Símbolos de los componentes
Componente
Símbolo gráfico
Componente
Resistencia
Diodo Z
Potenciómetro
Diac
Resistencia dependiente de la
temperatura (NTC)
Transistor NPN
Resistencia dependiente de la
luz (LDR)
Transistor PNP
Resistencia dependiente de la
Transistor JFET canal P
Símbolo gráfico
tensión
U
Condensador
Transistor JFET canal N
Condensador polarizado
Transistor UNIJUNCTION
Bobina
Transistor MOSFET canal P
Diodo
Tiristor
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XV
Componente
XVI
Símbolo gráfico
Componente
Triac
LED azul
Bobina de transformador
LED rojo o verde
Indicador luminoso
Conmutador
Símbolo gráfico
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Atribución de componentes y ejercicios en función de los objetivos
didácticos. Principios básicos de la técnica de corriente alterna.
Ejercicio
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3
3
1
1
Componente
Resistencia, 100 Ω/2 W
1
Resistencia, 470 Ω/2 W
1
Resistencia, 1 kΩ/2 W
1
Resistencia, 4,7 kΩ/2 W
1
1
1
1
1
1
1
Resistencia, 10 kΩ/2 W
1
Resistencia, 22 kΩ/2 W
1
Resistencia dependiente de la tensión (VDR), 14 V/0,05 W
1
Condensador, 100 pF/100 V
1
Condensador, 10 nF/100 V
1
Condensador, 47 nF/100 V
1
Condensador, 0,1 μF/100 V
1
Condensador, 0,22 μF/100 V
1
1
1
Condensador, 0,47 μF/100 V
1
Condensador, 1,0 μF/100 V
1
1
Bobina, 100 mH/50 mA
1
Bobina de transformador, N = 200
1
Bobina de transformador, N = 600
1
Multímetro digital
1
Osciloscopio, 2 canales
®
Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567219
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
XVII
Informaciones para el instructor
Objetivos didácticos
La meta didáctica general del presente manual consiste en que los estudiantes sean capaces de analizar y
evaluar circuitos sencillos de corriente alterna con resistencias, condensadores y bobinas. Los estudiantes
podrán adquirir estos conocimientos aprendiendo la teoría, montando circuitos reales y efectuando la
medición de las magnitudes eléctricas. La interacción directa entre la teoría y la práctica asegura un rápido y
sostenible progreso de los estudios. Los objetivos detallados constan en la lista anterior correspondiente.
Los objetivos didácticos concretos e individuales están relacionados con cada ejercicio específico.
Duración aproximada
El tiempo necesario para desarrollar los ejercicios depende de los conocimientos previos de los alumnos.
Cada tarea deberá resolverse en aproximadamente una hora o en una hora y media.
Componentes del equipo didáctico
El manual de trabajo, la colección de ejercicios y los componentes se corresponden. Para resolver los 10
ejercicios, únicamente se necesitan los componentes del equipo didáctico TP 1011.
Las normas
En el presente manual de trabajo se aplican las siguientes normas:
EN 60617-2 hasta EN 60617-8
Símbolos gráficos utilizados en esquemas de distribución
EN 81346-2
Sistemas industriales, equipos y productos industriales;
principios aplicados para la estructuración e identificación de referencias
DIN VDE 0100-100
Configuración de equipos de baja tensión: principios básicos –
(IEC 60364-1)
Normas, características generales, conceptos técnicos
DIN VDE 0100-410
Configuración de equipos de baja tensión – medidas de protección –
(IEC 60364-4-41)
Protección contra descarga eléctrica
Identificaciones utilizadas en el manual de trabajo
Los textos con las soluciones y las informaciones complementarias en las representaciones gráficas
aparecen en color rojo.
Excepciones: Las indicaciones y las evaluaciones relacionadas con la corriente siempre aparecen de color
rojo. Las indicaciones y evaluaciones relacionadas con la tensión siempre aparecen de color azul.
Identificaciones utilizadas en la colección de ejercicios
Las partes que deben completarse en los textos aparecen marcadas con líneas o con celdas sombreadas en
las tablas.
Las gráficas que deben completarse están identificadas mediante un fondo matricial.
Sugerencias para las clases
Las sugerencias contienen informaciones adicionales sobre los procedimientos didácticos y los métodos
aplicables en relación con los componentes. Estas informaciones no aparecen en la colección de ejercicios.
XVIII
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Soluciones
Las soluciones que se ofrecen en el presente manual de trabajo se obtuvieron llevando a cabo mediciones
de prueba. Por lo tanto, los resultados obtenidos por el instructor pueden ser diferentes.
Especialidades de estudio
En el caso de la formación profesional en la especialidad de técnicos de electrónica, el tema «Principios
básicos de la técnica de corriente alterna» se trata en la asignatura del primer curso de los centros de
formación.
Estructura de los ejercicios
La estructura metódica es la misma para todos los 10 ejercicios. Los ejercicios están estructurados de la
siguiente manera:
• Título
• Objetivos didácticos
• Descripción de la tarea a resolver
• Circuito o esquema de instalación
• Tarea
• Medios auxiliares
• Hojas de ejercicios
El manual de trabajo contiene las soluciones de las tareas incluidas en la colección de ejercicios.
Denominación de los componentes
La denominación de los componentes que constan en los esquemas se rige por la norma DIN EN 81346-2.
Dependiendo del tipo de componente, su identificación incluye letras. Si un circuito incluye varios
componentes iguales, éstos están numerados correlativamente.
Resistencias:
Condensadores:
Bobinas:
Equipos emisores de señales:
R, R1, R2, ...
C, C1, C2, …
L, L1, L2, …
P, P1, P2, ...
Importante
Si las resistencias, condensadores o bobinas se entienden como magnitudes físicas, la letra de
identificación aparece en cursiva (símbolo de fórmula). Si para la numeración es necesario utilizar cifras,
éstas se utilizan como índices y, por lo tanto, aparecen como subíndices.
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XIX
Contenido del CD-ROM
El manual de trabajo está incluido en el CD-ROM adjunto en forma de archivo de formato pdf. El CD-ROM se
incluye en calidad de material didáctico complementario.
Estructura del contenido del CD-ROM:
• Instrucciones de utilización
• Imágenes
• Información sobre productos
Instrucciones de utilización
Instrucciones para la utilización apropiada de los diversos componentes incluidos en el equipo didáctico.
Estas instrucciones son útiles al efectuar el montaje y poner en funcionamiento los componentes
respectivos.
Imágenes
Mediante fotografías y representaciones gráficas se muestran aplicaciones industriales reales. Estas
imágenes pueden aprovecharse para entender mejor la tarea a resolver en cada ejercicio. Además, pueden
utilizarse para ampliar y completar la presentación de proyectos.
Información sobre productos
Se ofrecen informaciones del correspondiente fabricante sobre cada uno de los componentes
seleccionados. Esta forma de explicar estos componentes tiene la finalidad de demostrar cómo se presentan
los componentes en un catálogo industrial. Además, estas páginas incluyen informaciones complementarias
sobre los componentes.
XX
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Ejercicio 1
Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la
técnica de corriente alterna
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:
• Descripción de los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna y realizar cálculos con
dichos parámetros.
• Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes correspondientes a la corriente
alterna.
• Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con un osciloscopio.
• Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de corriente alterna.
Descripción de la tarea a resolver
Usted ha sido destinado a la sección de aseguramiento de calidad y deberá analizar circuitos electrónicos
con fallos.
Para familiarizarse con su futuro trabajo, realiza diversas mediciones en circuitos sencillos de corriente
alterna.
Circuitos
G
U
RL
Circuito de corriente alterna con osciloscopio
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1
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Tareas a resolver
Explique la definición de corriente alterna.
Responda las preguntas sobre la representación de magnitudes con vectores y líneas.
Explique los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna.
Ejercítese en el uso del osciloscopio y responda las preguntas.
Realice unas primeras mediciones con el osciloscopio.
Analice la intensidad, tensión y potencia en un circuito sencillo con resistencias.
•
•
•
•
Medios auxiliares
Libros de texto técnicos, tablas con datos técnicos
Hojas de datos
WBT Electricidad 1 (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.
2
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Definición de corriente alterna
–
Explique la definición de corriente alterna.
La tensión alterna es una tensión en la que cambian periódicamente la polaridad (sentido de flujo) y el
valor.
En la imagen se muestra la evolución de magnitudes alternas en función del tiempo.
–
Incluya en la tabla la denominación de estos tres tipos de señales.
Evolución de la señal
Denominación
u
T
2
T
t
Sinusoidal
u
Triangular
T
2
T
t
T
2
T
t
u
Rectangular
Formas típicas de señales eléctricas
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3
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Representación mediante vectores y líneas en circuitos de tensión alterna
La flecha sobre el círculo permite trazar la línea sinusoidal de la tensión alterna. El radio del círculo
corresponde a la amplitud de la oscilación sinusoidal y se identifica con US.
u
US
US
α
u
α
90°
180°
270°
360°
π
2
π
3π
2
2π
α, t
-US
Representación de una tensión alterna sinusoidal mediante vectores y líneas
–
Indique la fórmula para calcular la tensión transitoria u.
Es válido lo siguiente:
sin α =
Pierna
u
=
Hipotenusa U S
Por lo tanto, el valor de la tensión transitoria u es el siguiente:
u = U S ⋅ sin α
Cuanto mayor es la frecuencia de la oscilación sinusoidal, tanto menor es la duración del período y, por lo
tanto, tanto más rápidamente gira el vector correspondiente. La velocidad del movimiento del vector se
expresa mediante la frecuencia angular ω.
–
–
Indique la fórmula para calcular el valor transitorio u en función de ω.
Con ese fin, complete el diagrama agregando la curva sinusoidal. Debajo de la indicación de los grados
del ángulo indique la medida del arco en radianes.
Fórmula para calcular los valores transitorios u:
u = U S ⋅ sin ( ω t )
4
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Describa los parámetros característicos de la corriente alterna
Si se trabaja con corriente alterna, es indispensable conocer detalladamente los correspondientes
parámetros característicos.
–
Explique de manera resumida los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna.
Complete la tabla rellenando las celdas vacías.
Parámetro
característico
Símbolo en fórmulas o
fórmula
Descripción
Pico de tensión US
US
Valor máximo o mínimo de la tensión alterna. También llamado amplitud o
simplemente pico.
Pico de corriente IS
IS
Valor máximo o mínimo de la corriente alterna.
Pico-pico de tensión
U SS = 2 ⋅ U S
Diferencia entre el valor positivo y negativo máximo y mínimo.
USS
Tensión efectiva Ueff
Corriente efectiva Ieff
Duración del período
U eff =
I eff =
US
2
IS
2
T
El valor efectivo es el valor de la tensión alterna que provoca la misma
potencia en una resistencia óhmica que una tensión continua del mismo valor.
El valor efectivo es el valor de la corriente alterna que provoca la misma
potencia en una resistencia óhmica que una corriente continua del mismo
valor.
Un período (onda completa con semionda positiva y semionda negativa) dura
un tiempo determinado. Este tiempo es la duración del período T.
T en s
Frecuencia f en Hz
En el caso de tensión sinusoidal: USS corresponde al doble de la amplitud.
f =
1
T
Cantidad de períodos por segundo.
ω = 2⋅π⋅ f
Ángulo girado por unidad de tiempo.
Valor transitorio u
u = U S ⋅ sin( ω t )
Valor transitorio en función del tiempo de una tensión alterna sinusoidal.
Valor transitorio i
i = IS ⋅ sin( ω t )
Valor transitorio en función del tiempo de una corriente alterna sinusoidal.
Frecuencia angular
ω en
1
s
Parámetros característicos en la técnica de corriente alterna
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5
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
Incluya algunos de los parámetros característicos en el diagrama de tensión alterna sinusoidal. Indique
los parámetros correspondientes a los números incluidos en el diagrama.
u
3
1
2
0
t
4
Tensión alterna sinusoidal
Número
Denominación
1
Pico de tensión US
2
Pico-pico de tensión USS
3
Tensión efectiva Ueff
4
Duración del período T
Descripción de las funciones básicas de un osciloscopio
Un osciloscopio permite realizar diversos ajustes y conexiones que pueden variar según tipo y modelo. Sin
embargo, todos los osciloscopios permiten efectuar determinados ajustes básicos.
AUTORANGE SAVE/RECALL
UTILITY
MEASURE
ACQUIRE
HELP
CURSOR
DISPLAY
DEFAULT SETUP
VERTICAL
POSITION
SAVE
CH1
MENU
RUN/
STOP
SINGLE
SEQ
REF
MENU
PRINT
AUTOSET
MATH
MENU
HORIZONTAL
POSITION
CH2
MENU
VOLT/DIV
TRIGGER
LEVEL
HORIZ
MENU
TRIG
MENU
SET TO
ZERO
SET TO
50%
SEC/DIV
FORCE
TRIG
TRIG
VIEW
CH1
CH2
EXT.TRIG.
USB
Flash Drive
Ejemplo de osciloscopio
6
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
–
Infórmese sobre el funcionamiento del osciloscopio que utilizará para hacer las mediciones.
Agregue la denominación de los elementos de mando del osciloscopio utilizados para activar las
funciones que se describen en la tabla.
Elemento de mando
Descripción resumida
Interruptor 0/I
Interruptor de red
Botón giratorio POSITION CH1
Posicionamiento vertical de la señal del canal 1 (CH1)
Botón giratorio VOLTS/DIV (CH1)
Regulación vertical de la sensibilidad de la señal de entrada CH1
Tecla CH1 MENU
Activa o desactiva la indicación del canal 1
Botón giratorio POSITION
Posicionamiento horizontal de todas las señales
Botón giratorio SEC/DIV
Regulación de la desviación de las señales en función del tiempo
Tecla CH1 MENU -> Sonda
Ajuste de la sonda para canal 1
Tecla CH1 MENU -> Acoplamiento
Ajustes en el canal 1: DC, AC, Ground.
Significado de Ground: conexión del canal a masa.
Tecla CH1 MENU -> Inversión
Representación invertida de la señal del canal CH1
Tecla TRIG MENU
Ajuste del trigger
Tecla TRIG MENU -> Flanco
Activa la modalidad trigger de flanco
Conector de entrada EXT. TRIG.
Conector de entrada para fuente trigger externa
CH1
Canal de medición 1
CH2
Canal de medición 2
Funciones básicas de un osciloscopio
Sugerencias para las clases
Las funciones básicas y los elementos de mando se explican recurriendo al ejemplo del osciloscopio
digital de dos canales y con memoria Tektronix TDS 1002B.
–
Describa la función trigger al efectuar mediciones con el osciloscopio.
Con la función trigger se logra que en señales periódicas el punto de inicio del rayo en la pantalla del
osciloscopio coincida con el mismo valor de amplitud de la señal representada anteriormente. De esta
manera se obtiene una imagen aparentemente estática.
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7
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Para obtener imágenes en la pantalla del osciloscopio, proceda como sigue:
• Asegúrese que las desviaciones X e Y están calibradas.
• Compruebe que la línea cero esté donde usted lo prefiera.
• Si regula una frecuencia con la función de selección de onda de la fuente de alimentación, mida la
frecuencia con el osciloscopio para comprobar si es correcta.
• Al realizar una representación gráfica, siempre incluya como mínimo un período completo.
• Incluya siempre la línea cero en la representación gráfica.
• Incluya siempre la desviación en función del tiempo en la representación gráfica.
• Incluya siempre en la gráfica la desviación de la tensión correspondiente a cada uno de los canales
utilizados (CH1 y CH2).
• Represente la relación que entre sí tienen las señales en función del tiempo.
• Efectúe el trigger siempre con la señal más lenta.
Ajustes en el osciloscopio:
USS
T
Y = 2 V/DIV
X = 0,1 ms/DIV
Ejemplo de medición con el osciloscopio
–
Evalúe los resultados de las mediciones que aparecen en la pantalla del osciloscopio. Determine la
tensión pico-pico USS y la duración del período T.
Pico-pico de tensión USS:
USS corresponde a 4 partes en la escala (DIV).
U SS = 4 DIV ⋅ 2
V
=8V
DIV
Duración del período T:
T corresponde a 6 partes en la escala.
T = 6 DIV ⋅ 0 ,1
8
ms
= 0 , 6 ms
DIV
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Mediciones con el osciloscopio
Utilizando la pantalla del osciloscopio, analice el transcurso de la tensión alterna en función del tiempo.
–
Efectúe el montaje según el esquema.
G
Y1
U
Circuito para medir una tensión alterna sinusoidal con el osciloscopio
Identificación
Denominación
Valores
–
Osciloscopio
2 canales
–
Fuente de alimentación eléctrica para
EduTrainer®
–
Lista de componentes
–
–
–
Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.
Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes.
Ajuste la frecuencia y la tensión en el selector de parámetros de tal manera que en el diagrama del
osciloscopio se obtenga la imagen de la tensión que se muestra a continuación.
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9
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Ajustes en el osciloscopio
Canal 1:
Y1 = 1 V/DIV
Desviación en función del tiempo:
0 (Y1)
X = 0,1 ms/DIV
Representación de la tensión alterna en el diagrama del osciloscopio
–
Mida la tensión pico-pico USS y la duración del período T.
Pico-pico de tensión USS:
U SS = 6 DIV ⋅ 1
V
=6V
DIV
Duración del período T:
T = 10 DIV ⋅ 0,1
–
ms
= 1 ms
DIV
Recurriendo a los resultados de la medición, calcule la tensión pico US, la tensión efectiva Ueff y la
frecuencia f.
Pico de tensión US:
US =
U SS 6 V
=
=3V
2
2
Tensión efectiva Ueff:
U eff =
US
2
=
3V
2
= 2 ,12 V
Frecuencia f:
f =
10
1
1
1
=
= 1 ⋅ 103 = 1 kHz
T 1 ms
s
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
–
Mida el valor efectivo Ueff con el multímetro digital.
Compare el valor efectivo medido con el valor efectivo calculado.
Valor Ueff medido:
Ueff = 2,01 V
Valor Ueff calculado:
Ueff = 2,12 V
Las ligeras diferencias entre los valores medidos y los valores calculados se explican por errores de
medición y las tolerancias de los componentes.
Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica
Explique la evolución de la tensión alterna y la corriente alterna en función del tiempo en una resistencia
óhmica. Recurriendo a los valores transitorios de corriente y tensión, dibuje la curva de potencia de la
resistencia. Compare esta curva de potencia con aquella de obtenida con una tensión continua comparable.
–
Describa cómo puede representarse en el osciloscopio la evolución de corrientes.
Para poder medir la corriente es necesario agregar en el circuito una resistencia de medición de la
corriente RM. Con el osciloscopio se mide la caída de tensión URM en la resistencia. A continuación se
calcula la corriente que fluye a través del circuito.
–
Describa lo que se entiende bajo resistencia efectiva.
En la técnica de la corriente alterna, la resistencia óhmica se llama resistencia efectiva. La resistencia
efectiva tienen el mismo efecto en circuitos de corriente alterna y en circuitos de corriente continua.
La resistencia surte efecto en la energía energética y la transforma en calor, luz o en energía
mecánica. La potencia obtenida en la resistencia efectiva también se llama potencia activa.
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11
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Indique la fórmula para calcular la corriente I en la resistencia efectiva R .
–
I=
U
R
Tensión y corriente en la resistencia efectiva
Y1
G
RL
URL
RM
URM
US = 6,6 V
(Sinus)
f = 1 kHz
Y2
Circuito con resistencia, con RL = 1 kΩ, RM = 100 Ω, US = 6,6 V, f = 1 kHz
Identificación
Denominación
Valores
RL
Resistencia
1 kΩ/2W
RM
Resistencia
100 Ω/2 W
–
Osciloscopio
2 canales
Fuente de alimentación eléctrica para
–
–
EduTrainer®
Lista de componentes
Importante
Para poder representar las tensiones URL y URM 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 URM.
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.
12
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
–
–
–
–
–
–
–
Efectúe el montaje según el esquema.
Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.
Ajuste una tensión sinusoidal US = 6,6 V con frecuencia f = 1 kHz.
Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes.
En la resistencia RL mida con el osciloscopio la tensión sinusoidal URL.
Incluya los valores medidos de la tensión en el diagrama del osciloscopio.
En la resistencia de medida RM mida con el osciloscopio la tensión URM.
Incluya también estos los valores medidos en el diagrama del osciloscopio.
Ajustes en el osciloscopio
Y1
Canal 1:
Y1 = 2 V/DIV
Canal 2:
Y2 = 0,5 V/DIV
(invertir)
Y2
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 de uRL y uRM
–
–
Determine los valores transitorios uRL y uRM correspondientes a los tiempos indicados en la tabla de
medición.
Incluya los valores medidos en la tabla.
Calcule la corriente i y la potencia activa p considerando los tiempos indicados en la tabla de resultados
de la medición.
Incluya también estos valores en la tabla. Indique la fórmula para calcular p.
Fórmula para calcular los valores transitorios de potencia:
p =u ⋅i
–
Incluya los valores de corriente i, los valores de tensión u y la evolución de la potencia p en el siguiente
diagrama.
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Tiempo t [ms]
Tensión uRL (V)
Tensión uRM (V)
corriente i (mA)
Potencia activa p (mW)
0
0
0
0
0
0,1
3,8
0,38
3,8
14,4
0,15
5,0
0,5
5,0
25,0
0,25
6,0
0,6
6,0
36,0
0,35
5,0
0,5
5,0
25,0
0,4
3,8
0,38
3,8
14,4
0,5
0
0
0
0
0,6
-3,8
-0,38
-3,8
14,4
0,65
-5,0
-0,5
-5,0
25,0
0,75
-6,0
-0,6
-6,0
36,0
0,85
-5,0
-0,5
-5,0
25,0
0,9
-3,8
-0,38
-3,8
14,4
1,0
0
0
0
0
25
10
mW
mA
V
30
15
Tensión u
50
Corriente i
Potencia p
Resultados de la medición
p
6
20
10
4
10
5
2
0
0
0
u
i
0,1
-10
-5
-2
-20
-10
-4
-30
-15
-6
-40
-20
-8
-50
-25
-10
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
ms
1,0
Tiempo t
Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica RL
14
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
Describa las curvas de corriente y de tensión.
La corriente y la tensión transcurren en fase. Pasan por cero y alcanzan sus picos al mismo tiempo.
–
Describa la línea de la potencia.
La línea de la potencia es sinusoidal, pero no tiene partes negativas. En comparación con las líneas de
tensión y de corriente se duplica la frecuencia.
La curva de la potencia activa en la resistencia óhmica puede sustituirse mediante un valor medio
constante. Se trata del valor efectivo de la potencia.
–
Indique la fórmula para calcular el valor efectivo de la potencia P.
Peff = U eff ⋅ I eff
Recurriendo a la ley de Ohm, se obtienen dos fórmulas adicionales para calcular la potencia:
2
Peff = R ⋅ I eff
–
Peff =
o bien
2
U eff
R
Indique el valor efectivo de la potencia, válido en el circuito con resistencia.
Peff = U eff ⋅ I eff =
Us
2
⋅
Is
2
=
6 V 6 mA
⋅
= 18 mW
2
2
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15
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
La potencia en un circuito de corriente continua y en un circuito de corriente alterna.
Con el fin de comparar la potencia en el circuito de corriente continua y en el de corriente alterna, deberá
determinarse la entrega de potencia en la resistencia óhmica RL = 1 kΩ aplicando una tensión continua de
U = 4,24 V.
–
Explique por qué se lleva a cabo la medición comparativa aplicando una tensión continua de
U = 4,24 V.
La tensión alterna sinusoidal con US = 6 V tiene el siguiente valor efectivo:
U eff =
Us
2
=
6V
2
= 4, 24 V
En una resistencia óhmica, la tensión continua U = 4,24 V genera la misma potencia que el valor
efectivo Ueff = 4,24 V en un circuito de tensión alterna.
–
Mida la potencia en el circuito de corriente continua del siguiente esquema. Aplique el método de
medición indirecta y anote los resultados de la medición.
U = 4,24 V
RL
URL
Circuito con resistencia, con RL = 1 kΩ, U = 4,24 V
Identificación
Denominación
Valores
RL
Resistencia
1 kΩ/2W
–
Multímetro digital
–
–
Fuente de alimentación eléctrica para
EduTrainer®
–
Lista de componentes del circuito de corriente continua con resistencia
Valores de las magnitudes eléctricas obtenidos para calcular la potencia:
U = 4,24 V
I = 4,19 mA
16
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
Recurriendo a los valores medidos, calcule la potencia eléctrica en la resistencia óhmica incluida en el
circuito de corriente continua.
P = U ⋅ I = 4 , 24 V ⋅ 4 ,19 mA =17,8 mW
Incluya en el diagrama las curvas correspondientes a las magnitudes eléctricas medidas y aquella que
corresponde a la potencia eléctrica calculada.
Circuito de corriente continua
Circuito de corriente alterna
5
0
I
2
0
-5
-2
-10
-4
-15
-20
US = 6 V
mA
U
4
G
URL
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
10
5
0
V
0
-10
-4
-6
-15
-6
-8
-20
-8
Tiempo t
50
mW
mW
Potencia P
50
30
20
P
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
30
URL
i
2
-2
RL
u
4
-5
Potencia p
10
V
RL
Corriente i
Corriente I
mA
Tensión U
U = 4,24 V
Tensión u
–
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Tiempo t
p
20
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Tiempo t
Tiempo t
Comparación: Potencia en circuitos de corriente continua y de corriente alterna, con RL = 1 kΩ
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17
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
Describa la relación que existe entre las dos curvas de potencia.
•
•
•
18
En el circuito de corriente continua se entrega una potencia constante e invariable.
En el circuito de corriente alterna se producen fuertes variaciones de la potencia.
En el caso de una tensión alterna sinusoidal, las dos fuentes entregan en promedio la misma
potencia cuando el valor máximo de la potencia en el circuito de corriente alterna es exactamente
el doble del valor constante de la potencia en el circuito de corriente continua.
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Contenido
Ejercicios y hojas de trabajo
Ejercicio 1:
Determinación y forma de representar los parámetros característicos
de la técnica de corriente alterna __________________________________________________1
Ejercicio 2: Comprobación del rendimiento de un condensador _________________________________ 19
Ejercicio 3: Selección de la capacitancia apropiada de un filtro de paso alto _______________________ 39
Ejercicio 4 Reducción de picos de tensión al activar una bobina de válvula _______________________ 51
Ejercicio 5: Determinación de la inductancia de una bobina ____________________________________ 65
Ejercicio 6: Análisis de elementos RC mediante mediciones ____________________________________ 77
Ejercicio 7: Determinación de la respuesta en frecuencia en un filtro de paso alto
y en un filtro de paso bajo ______________________________________________________ 89
Ejercicio 8: Compensación de la potencia reactiva de un motor eléctrico _________________________ 101
Ejercicio 9: Selección de un circuito de corriente trifásica para la conexión
de un acumulador plano de pared ______________________________________________ 113
Ejercicio 10: Generación de diversos niveles de potencia en una estufa eléctrica ___________________ 127
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I
II
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Ejercicio 1
Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la
técnica de corriente alterna
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:
• Descripción de los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna y realizar cálculos con
dichos parámetros.
• Conocimiento de las diversas formas de representar magnitudes correspondientes a la corriente
alterna.
• Medición y evaluación de magnitudes de la corriente alterna con un osciloscopio.
• Funcionamiento de una resistencia óhmica en un circuito de corriente alterna.
Descripción de la tarea a resolver
Usted ha sido destinado a la sección de aseguramiento de calidad y deberá analizar circuitos electrónicos
con fallos.
Para familiarizarse con su futuro trabajo, realiza diversas mediciones en circuitos sencillos de corriente
alterna.
Circuitos
G
U
RL
Circuito de corriente alterna con osciloscopio
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1
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Tareas a resolver
Explique la definición de corriente alterna.
Responda las preguntas sobre la representación de magnitudes con vectores y líneas.
Explique los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna.
Ejercítese en el uso del osciloscopio y responda las preguntas.
Realice unas primeras mediciones con el osciloscopio.
Analice la intensidad, tensión y potencia en un circuito sencillo con resistencias.
•
•
•
•
Medios auxiliares
Libros de texto técnicos, tablas con datos técnicos
Hojas de datos
WBT Electricidad 1 (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.
2
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Fecha: ____________
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Definición de corriente alterna
–
Explique la definición de corriente alterna.
En la imagen se muestra la evolución de magnitudes alternas en función del tiempo.
–
Incluya en la tabla la denominación de estos tres tipos de señales.
Evolución de la señal
Denominación
u
T
2
T
t
T
2
T
t
T
2
T
t
u
u
Formas típicas de señales eléctricas
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Fecha: ____________
3
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Representación mediante vectores y líneas en circuitos de tensión alterna
La flecha sobre el círculo permite trazar la línea sinusoidal de la tensión alterna. El radio del círculo
corresponde a la amplitud de la oscilación sinusoidal y se identifica con US.
u
US
US
α
u
α
90°
180°
270°
360°
α, t
-US
Representación de una tensión alterna sinusoidal mediante vectores y líneas
–
Indique la fórmula para calcular la tensión transitoria u.
Cuanto mayor es la frecuencia de la oscilación sinusoidal, tanto menor es la duración del período y, por lo
tanto, tanto más rápidamente gira el vector correspondiente. La velocidad del movimiento del vector se
expresa mediante la frecuencia angular ω.
–
–
Indique la fórmula para calcular el valor transitorio u en función de ω.
Con ese fin, complete el diagrama agregando la curva sinusoidal. Debajo de la indicación de los grados
del ángulo indique la medida del arco en radianes.
Fórmula para calcular los valores transitorios u:
4
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Describa los parámetros característicos de la corriente alterna
Si se trabaja con corriente alterna, es indispensable conocer detalladamente los correspondientes
parámetros característicos.
–
Explique de manera resumida los parámetros característicos más importantes de la corriente alterna.
Complete la tabla rellenando las celdas vacías.
Parámetro
característico
Símbolo en fórmulas o
fórmula
Pico de tensión US
US
Pico de corriente IS
IS
Descripción
Pico-pico de tensión
USS
Tensión efectiva Ueff
Corriente efectiva Ieff
Duración del período
T
T en s
Frecuencia f en Hz
Frecuencia angular
ω en
1
s
Valor transitorio u
Valor transitorio i
Parámetros característicos en la técnica de corriente alterna
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5
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
Incluya algunos de los parámetros característicos en el diagrama de tensión alterna sinusoidal. Indique
los parámetros correspondientes a los números incluidos en el diagrama.
u
3
1
2
0
t
4
Tensión alterna sinusoidal
Número
Denominación
1
2
3
4
Descripción de las funciones básicas de un osciloscopio
Un osciloscopio permite realizar diversos ajustes y conexiones que pueden variar según tipo y modelo. Sin
embargo, todos los osciloscopios permiten efectuar determinados ajustes básicos.
AUTORANGE SAVE/RECALL
UTILITY
MEASURE
ACQUIRE
HELP
CURSOR
DISPLAY
DEFAULT SETUP
VERTICAL
POSITION
SAVE
CH1
MENU
RUN/
STOP
SINGLE
SEQ
REF
MENU
PRINT
AUTOSET
MATH
MENU
HORIZONTAL
POSITION
CH2
MENU
VOLT/DIV
TRIGGER
LEVEL
HORIZ
MENU
TRIG
MENU
SET TO
ZERO
SET TO
50%
SEC/DIV
FORCE
TRIG
TRIG
VIEW
CH1
CH2
EXT.TRIG.
USB
Flash Drive
Ejemplo de osciloscopio
6
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
–
Infórmese sobre el funcionamiento del osciloscopio que utilizará para hacer las mediciones.
Agregue la denominación de los elementos de mando del osciloscopio utilizados para activar las
funciones que se describen en la tabla.
Elemento de mando
Descripción resumida
Interruptor de red
Posicionamiento vertical de la señal del canal 1 (CH1)
Regulación vertical de la sensibilidad de la señal de entrada CH1
Activa o desactiva la indicación del canal 1
Posicionamiento horizontal de todas las señales
Regulación de la desviación de las señales en función del tiempo
Ajuste de la sonda para canal 1
Ajustes en el canal 1: DC, AC, Ground.
Significado de Ground: conexión del canal a masa.
Representación invertida de la señal del canal CH1
Ajuste del trigger
Activa la modalidad trigger de flanco
Conector de entrada para fuente trigger externa
Canal de medición 1
Canal de medición 2
Funciones básicas de un osciloscopio
–
Describa la función trigger al efectuar mediciones con el osciloscopio.
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Para obtener imágenes en la pantalla del osciloscopio, proceda como sigue:
• Asegúrese que las desviaciones X e Y están calibradas.
• Compruebe que la línea cero esté donde usted lo prefiera.
• Si regula una frecuencia con la función de selección de onda de la fuente de alimentación, mida la
frecuencia con el osciloscopio para comprobar si es correcta.
• Al realizar una representación gráfica, siempre incluya como mínimo un período completo.
• Incluya siempre la línea cero en la representación gráfica.
• Incluya siempre la desviación en función del tiempo en la representación gráfica.
• Incluya siempre en la gráfica la desviación de la tensión correspondiente a cada uno de los canales
utilizados (CH1 y CH2).
• Represente la relación que entre sí tienen las señales en función del tiempo.
• Efectúe el trigger siempre con la señal más lenta.
Ajustes en el osciloscopio:
USS
T
Y = 2 V/DIV
X = 0,1 ms/DIV
Ejemplo de medición con el osciloscopio
–
8
Evalúe los resultados de las mediciones que aparecen en la pantalla del osciloscopio. Determine la
tensión pico-pico USS y la duración del período T.
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Mediciones con el osciloscopio
Utilizando la pantalla del osciloscopio, analice el transcurso de la tensión alterna en función del tiempo.
–
Efectúe el montaje según el esquema.
G
Y1
U
Circuito para medir una tensión alterna sinusoidal con el osciloscopio
Identificación
Denominación
Valores
–
Osciloscopio
2 canales
–
Fuente de alimentación eléctrica para
EduTrainer®
–
Lista de componentes
–
–
–
Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.
Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes.
Ajuste la frecuencia y la tensión en el selector de parámetros de tal manera que en el diagrama del
osciloscopio se obtenga la imagen de la tensión que se muestra a continuación.
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Fecha: ____________
9
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Ajustes en el osciloscopio
Canal 1:
Y1 = 1 V/DIV
Desviación en función del tiempo:
0 (Y1)
X = 0,1 ms/DIV
Representación de la tensión alterna en el diagrama del osciloscopio
10
–
Mida la tensión pico-pico USS y la duración del período T.
–
Recurriendo a los resultados de la medición, calcule la tensión pico US, la tensión efectiva Ueff y la
frecuencia f.
Nombre: __________________________________
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
–
Mida el valor efectivo Ueff con el multímetro digital.
Compare el valor efectivo medido con el valor efectivo calculado.
Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica.
Explique la evolución de la tensión alterna y la corriente alterna en función del tiempo en una resistencia
óhmica. Recurriendo a los valores transitorios de corriente y tensión, dibuje la curva de potencia de la
resistencia. Compare esta curva de potencia con aquella de obtenida con una tensión continua comparable.
–
Describa cómo puede representarse en el osciloscopio la evolución de corrientes.
–
Describa lo que se entiende bajo resistencia efectiva.
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Indique la fórmula para calcular la corriente I en la resistencia efectiva R .
–
Tensión y corriente en la resistencia efectiva
Y1
G
RL
URL
RM
URM
US = 6,6 V
(Sinus)
f = 1 kHz
Y2
Circuito con resistencia, con RL = 1 kΩ, RM = 100 Ω, US = 6,6 V, f = 1 kHz
Identificación
Denominación
Valores
RL
Resistencia
1 kΩ/2W
RM
Resistencia
100 Ω/2 W
–
Osciloscopio
2 canales
–
Fuente de alimentación eléctrica para
EduTrainer®
–
Lista de componentes
Importante
Para poder representar las tensiones URL y URM 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 URM.
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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Fecha: ____________
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
–
–
–
–
–
–
–
Efectúe el montaje según el esquema.
Conecte la fuente de alimentación con función de selección de parámetros.
Ajuste una tensión sinusoidal US = 6,6 V con frecuencia f = 1 kHz.
Efectúe los ajustes de los márgenes de medición en el osciloscopio, tal como se indicó antes.
En la resistencia RL mida con el osciloscopio la tensión sinusoidal URL.
Incluya los valores medidos de la tensión en el diagrama del osciloscopio.
En la resistencia de medida RM mida con el osciloscopio la tensión URM.
Incluya también estos los valores medidos en el diagrama del osciloscopio.
Ajustes en el osciloscopio
Canal 1:
Y1 = 2 V/DIV
Canal 2:
Y2 = 0,5 V/DIV
(invertir)
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 de uRL y uRM
–
–
Determine los valores transitorios uRL y uRM correspondientes a los tiempos indicados en la tabla de
medición.
Incluya los valores medidos en la tabla.
Calcule la corriente i y la potencia activa p considerando los tiempos indicados en la tabla de resultados
de la medición.
Incluya también estos valores en la tabla. Indique la fórmula para calcular p.
Fórmula para calcular los valores transitorios de potencia:
–
Incluya los valores de corriente i, los valores de tensión u y la evolución de la potencia p en el siguiente
diagrama.
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13
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
Tiempo t [ms]
Tensión uRL (V)
Tensión uRM (V)
corriente i (mA)
Potencia activa p (mW)
0
0,1
0,15
0,25
0,35
0,4
0,5
0,6
0,65
0,75
0,85
0,9
1,0
25
10
mW
mA
V
30
15
Tensión uRL
50
Corriente i
Potencia p
Resultados de la medición
6
20
10
4
10
5
2
0
0
0
0,1
-10
-5
-2
-20
-10
-4
-30
-15
-6
-40
-20
-8
-50
-25
-10
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
ms
1,0
Tiempo t
Medición de tensión, corriente y potencia en la resistencia óhmica RL
14
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
Describa las curvas de corriente y de tensión.
–
Describa la línea de la potencia.
La curva de la potencia activa en la resistencia óhmica puede sustituirse mediante un valor medio
constante. Se trata del valor efectivo de la potencia.
–
Indique la fórmula para calcular el valor efectivo de la potencia P.
–
Indique el valor efectivo de la potencia, válido en el circuito con resistencia.
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15
Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
La potencia en un circuito de corriente continua y en un circuito de corriente alterna.
Con el fin de comparar la potencia en el circuito de corriente continua y en el de corriente alterna, deberá
determinarse la entrega de potencia en la resistencia óhmica RL = 1 kΩ aplicando una tensión continua de
U = 4,24 V.
–
Explique por qué se lleva a cabo la medición comparativa aplicando una tensión continua de
U = 4,24 V.
–
Mida la potencia en el circuito de corriente continua del siguiente esquema. Aplique el método de
medición indirecta y anote los resultados de la medición.
U = 4,24 V
RL
URL
Circuito con resistencia, con RL = 1 kΩ, U = 4,24 V
Identificación
Denominación
Valores
RL
Resistencia
1 kΩ/2W
–
Multímetro digital
–
–
Fuente de alimentación eléctrica para
EduTrainer®
–
Lista de componentes del circuito de corriente continua con resistencia
Valores de las magnitudes eléctricas obtenidos para calcular la potencia:
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
Recurriendo a los valores medidos, calcule la potencia eléctrica en la resistencia óhmica incluida en el
circuito de corriente continua.
–
Incluya en el diagrama las curvas correspondientes a las magnitudes eléctricas medidas y aquella que
corresponde a la potencia eléctrica calculada.
Circuito de corriente continua
5
0
G
URL
V
mA
4
2
0
-5
-2
-10
-4
-15
-20
US = 6 V
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
10
5
0
V
Tensión u
10
RL
Corriente i
Corriente I
mA
Tension U
U = 4,24 V
Circuito de corriente alterna
-2
-10
-4
-6
-15
-6
-8
-20
-8
Tiempo t
i
2
-5
URL
u
4
0
RL
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Tiempo t
50
mW
Potencia p
Potencia P
mW
30
20
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
30
p
20
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Tiempo t
Tiempo t
Comparación: Potencia en circuitos de corriente continua y de corriente alterna, con RL = 1 kΩ
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Ejercicio 1: Determinación y forma de representar los parámetros característicos de la técnica de corriente alterna
–
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Describa la relación que existe entre las dos curvas de potencia.
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