Download Tema: Capacitancia. Curvas de carga y descarga del capacitor

Facultad: Ingeniería
Escuela: Ingeniería eléctrica
Asignatura: Teoría electromagnética
Tema: Capacitancia. Curvas de carga y descarga del capacitor
Contenidos
•
El capacitor. Curvas de carga y descarga.
Objetivos Específicos
•
Conocer los circuitos básicos para el análisis de carga y descarga en un capacitor.
•
Obtener experimentalmente las curvas de carga y descarga en función de la corriente y el
voltaje.
•
Determinar teórica y experimentalmente la constante de tiempo τ del circuito RC
implementado.
•
Determinar a partir de valores experimentales la ecuación representativa de la corriente de
carga de un capacitor cuando le es aplicado un nivel de voltaje.
Material y Equipo
No.
Descripción
Cantidad
1 Breadboard
1
2 Interruptor de dos vías, un polo
1
3 Capacitor de 4.7uF
1
4 Capacitor de 33uF
1
5 Resistencia de carbón 1MΩ / 2W
7
6 Fuente de energía 0-24 VDC
1
7 Multímetro digital
2
8 Cables de conexión
9 Pinza
Varios
1
Teoría electromagnética
3
Introduccion Teorica
En los circuitos electrónicos los capacitores se utilizan para muchos fines. Se emplean para
almacenar energía, para dejar pasa la corriente alterna y para bloquear la corriente continua.
Actúan como elementos de filtro, como componentes en circuitos resonantes, etc. Los capacitores
actúan cargándose y descargándose. Un capacitor puede almacenar y conservar una carga
eléctrica, proceso que se conoce como carga.
Cuando se conecta un capacitor descargado a una fuente de tensión constante, este no se carga
instantáneamente, sino que adquiere cierta carga que es función del tiempo. El ritmo de
crecimiento (velocidad con que crece) depende de la capacidad del capacitor y de la resistencia del
circuito.
Consideremos un circuito, el cual consta de una resistencia R, un capacitor C, un interruptor y una
fuente de tensión continua. Si el interruptor esta cerrado, la tensión entre las placas del capacitor
en función del tiempo está dada por:
Ecuación 3.1.
Como i = dq/dt , la corriente de carga será:
Ecuación 3.2.
La cantidad RC = t que aparece en las ecuaciones tiene unidades de tiempo y se la llama
constante de tiempo capacitiva o tiempo de relajación del circuito. Como se vio en teoría cuando en
la Ecuación 1 “t”, toma el valor: RC, significa que el capacitor adquirió el 63.2% de la tensión
entregada por la fuente (o lo que es lo mismo, el capacitor se ha cargado al 63.2% de la carga
final).
4
Teoría electromagnética
En la Figura 1, se puede observar las gráficas de las Ecuaciones 3.1 y 3.2.
Figura 1. “Curvas de tensión y de corriente durante la carga y descarga de un capacitor”.
Procedimiento
Parte I. Determinación de la curva de descarga de un capacitor utilizando diferentes valores
de capacitancia, a voltaje y resistencia constantes.
1. Verifique que en su mesa de trabajo se encuentren completos los elementos descritos
anteriormente en la lista de equipo y recursos.
2. Utilizando una fuente variable de voltaje (asegúrese que se encuentre en el nivel de 0 Voltios),
implemente el circuito de la Figura 2. Utilice inicialmente un valor de R 1= 1MΩ, R= 2MΩ y C = 4.7
µF.
Figura 2.
Figura 3.
“Circuitos simples de carga y descarga de un capacitor”.
Teoría electromagnética
5
3. Conecte el voltímetro digital en paralelo con el capacitor.
4. Energice la fuente de voltaje y regule hasta obtener un nivel de V= 9 Vdc.
5. Ubique el interruptor en la posición “a”, y asegúrese que el capacitor empiece a cargarse.
Observe que el capacitor se cargue hasta un valor de voltaje de aproximadamente 9 Vdc.
6. Lleve el interruptor a la posición “b” y realice las mediciones de voltaje (proceso de descarga)
para los diferentes tiempos que propone la tabla mostrada.
Medición de Voltaje. Proceso de Descarga para V y R constantes
t (seg)
C= 4.7uF
C = 33uF
0
5
10
20
30
45
60
90
120
150
180
210
Tabla 1.
NOTA: Recuerde reducir el voltaje de la fuente y apagarla antes de realizar cualquier cambio
al circuito.
Parte II. Determinación de la curva de descarga de un capacitor utilizando diferentes valores de
resistencia, a voltaje y capacitancia constantes.
1. Utilizando la misma configuración del circuito de la parte I, modifique los parámetros a V= 9 Vdc
y C = 33µF.
2. Realice nuevamente los pasos 5 al 6 de la parte I.
3. Complete la tabla de datos 2 para los valores de R1 que se detallan.
6
Teoría electromagnética
Medición de Voltaje. Proceso de Descarga para V y C constantes
t (seg)
R1= 2MΩ
R1= 4MΩ
0
5
10
20
30
45
60
90
120
150
180
210
Tabla 2.
Discusión de resultados
1. Haciendo uso de una escala adecuada, grafique los datos obtenidos en las tablas para
cada una de las partes.
2. En base a las curvas obtenidas, explique el comportamiento de las curvas obtenidas.
3. Para un circuito RC simple como el implementado en la parte I, deduzca la relación que
describe el comportamiento del voltaje V(t) y la corriente I(t) en el capacitor.
4. A partir de las ecuaciones del literal anterior y haciendo uso de al menos tres mediciones
de c/u de las curvas obtenidas, encuentre el valor de la capacitancia de cada condensador
proporcionado. Compare con el valor utilizado y justifique la similitud o discrepancia de los
resultados obtenidos.
Bibliografía
• Edminister, Joseph A. “Electromagnetismo”. Schaum- Mcgrawhill.
• Hayt, William: Teoría Electromagnética. Mc-GrawHill, México 1997.
• William H. Hayt & Jack E. Kemmerly. Análisis de Circuitos en Ingeniería, 5ta edición / 3ra
edición en Español McGraw-Hill 1993.
• Gourishankar. “Conversión de Energía Electromecánica”. Ediciones Alfaomega.
Teoría electromagnética
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Hoja de cotejo: 3
Guía 3. Capacitancia. Curvas de carga y descarga del capacitor
Puesto No:
Alumno:
Docente:
GL:
Fecha:
EVALUACION
%
1-4
5-7
08/-10
Conocimiento deficiente
de los fundamentos
teóricos
durante
la
evaluación previa de la
práctica.
Conocimiento
y
explicación
incompleta
de
los
fundamentos
teóricos
Conocimiento completo
y explicación clara de los
fundamentos teóricos
Ha
realizado
un
porcentaje
de
las
mediciones solicitadas
entre el 0% y 45% de
los ejercicios propuestos
en la guía
Ha
realizado
un
porcentaje
de
las
mediciones
solicitadas
entre el 45% y 75% de
los ejercicios propuestos
en la guía
Ha
realizado
un
porcentaje
de
las
mediciones solicitadas
entre el 75% y 100% de
los ejercicios propuestos
en la guía
La información brindada
en los reportes, tareas e
investigación
complementaria
es
insuficiente.
La información brindada
en los reportes, tareas e
investigación
complementaria contiene
menos elementos de lo
solicitado.
La información brindada
en los reportes, tareas e
investigación
complementaria
es
suficiente.
20%
No
interpreta
correctamente todos los
resultados
obtenidos
durante la práctica, aún
con apoyo del docente.
Interpreta correctamente,
aunque
con
apoyo
docente, los resultados
que se obtienen durante
la práctica.
Interpreta correctamente
los resultados obtenidos
durante la práctica.
10%
Se ha tardado
un
tiempo mucho mayor al
esperado para realizar
la práctica.
Se ha tardado un tiempo
poco mayor al esperado
para realizar la práctica.
El tiempo de realización
de la práctica es mejor
que el esperado.
10%
No
tiene
actitud
proactiva para realizar
las mediciones y toma
de datos durante la
práctica.
Su
actitud
es
parcialmente
proactiva
para
realizar
las
mediciones y toma de
datos durante la práctica.
Muestra claramente una
actitud proactiva para
realizar las mediciones y
toma de datos durante la
práctica.
CONOCIMIENTO
20%
APLICACIÓN DEL
CONOCIMIENTO
20%
20%
ACTITUD
TOTAL
100%
Nota